【光學知識】鏡頭的對比度和均勻度是什么

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  • 來源:光虎光電科技(天津)有限公司

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  • 發布時間:2024-01-02 07:16:26

鏡頭的對比度和均勻度是什么

我相信大家在日常的攝影或者電腦的使用甚至是看電視的時候肯定都聽過一些參數的名字,像對比度、均勻度、分辨率、畸變率等等,這些一般都是用來描述屏幕或者照片的參數。在我們的光學工業鏡頭中其實也會經常提到這些參數名稱,但是其實這其中的一些參數跟日常中經常接觸的那些概念還是很有不同的。今天就來給大家講講光學工業鏡頭中的對比度和均勻度。

一、對比度和雜散光

1、對比度

我們常說的對比度指的是一幅圖像中明暗區域最亮的白和最暗的黑之間不同亮度層級的測量,差異范圍越大代表對比越大,差異范圍越小代表對比越小。對比度對視覺效果的影響非常關鍵,一般來說對比度越大,圖像越清晰醒目,色彩也越鮮明艷麗;而對比度小,則會讓整個畫面都灰蒙蒙的。如下圖所示。
工業鏡頭
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而我們也經常會說鏡頭的對比度高低,但這其實與屏幕和圖像的對比度有著一定的不同。想要使圖像看起來輪廓分明,黑色細節需要顯示為黑色,白色細節需要顯示為白色,所以我們在鏡頭中聊對比度,主要是關注其還原現實形狀和輪廓的能力。簡單來講,對比度越高的鏡頭在黑白交接處的過渡像素越少,對測量樣品的準確度就越高。如果鏡頭的對比度較低的話,在物體的黑白交界處就會有不同深度的大量灰色像素,這些灰色像素往往會干擾視覺檢測的精準度,使測試結果不準確。
工業鏡頭
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本圖為差異較大的鏡頭對比度展示,左側鏡頭產生的對比度級別為12.7%,右側鏡頭產生的對比度級別為22.6%,可以看到左側的圖像基本上已經完全丟失了最深色的信息。
工業鏡頭
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本圖為兩款較接近的鏡頭對比,其中左側鏡頭的對比度相對低一些,可以看到畫面中黑白交界處過度像素較多,畫面看上去“毛茸茸”的。
工業鏡頭
1-1-4(黑白交接處的過度像素)


2、雜散光

鏡頭的對比度會受到很多方面的影響,可能是機械設計的問題也有可能使光路設計的問題,這里說一個常見的問題,那就是雜散光的影響。雜散光是一種在光學系統中有害光,也稱為光學“噪聲”。這些雜散光可能會對正常成像產生影響。隨著對光學系統檢測要求的不斷提高,雜散光會影響光學系統的性能,降低成像對比度和圖像質量,甚至影響信號。因此,分析和抑制雜散光的要求逐漸引起人們的關注,并成為光學系統中圖像質量檢測的必要環節之一。
雜散光可能是由有效孔徑內的多次反射、機制反射或有效孔徑外的光反射引起的重影或光斑。這些雜散光可能會影響正常成像,因此需要進行準確的分析和適當的處理。
常見的消雜散光的辦法:   
(1)更改光學類型,優化系統結構,或優化機械結構  
(2)增加消雜光光欄 
(3)用螺紋消雜光
工業鏡頭
1-2-1
不止工業鏡頭,很多鏡頭都有消光螺紋,甚至現在的手機鏡頭也會有消光螺紋,主要原因是這種技術對加工工藝要求很低,效果又非常不錯,可以說是性價比很高的一種手段。
(4)對鏡筒內壁采用無光發黑氧化,或者噴無光漆,或貼消光絨毛。 
工業鏡頭
1-2-2,圖中鏡頭為光虎TTL18.5-215-380CL
不止鏡頭,很多其他會參與光學系統的部件也會使用無光發黑氧化工藝,也是一種非常高性價比的方案。
工業鏡頭
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本圖為使用點光源搭配光虎高倍率遠心鏡頭拍攝的氧化發黑后的金屬表面,可以看到周圍圖像的四周有暗角,在下一章中會詳細解釋這種現象
(5)使用合理的遮光罩
工業鏡頭
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(6)透鏡鏡片邊緣涂黑處理

二、均勻度

接下來來說一個投影儀和鏡頭都會提到的參數——均勻度。在投影設備中。指的是投影儀影像最亮與最暗部分的差異值,一般說來,投影儀最亮的地方會是畫面中央的部分,最暗的地方為畫面的邊緣;因此當均勻度越高,畫面中央到邊緣的一致性就越高,當均勻度越低,畫面的明亮不一的情形也更嚴重,也就是說,均勻度是指從中心到邊緣的亮度分布是否均勻。
而在鏡頭中,均勻度一般指無論是望遠或望近,鏡頭中心的聚焦跟邊緣的聚焦是基本相同的。成像均勻度主要由鏡頭決定,具有良好成像均勻度的鏡頭,無論在廣角或是長焦端,鏡頭中心的聚焦跟邊緣的聚焦基本相同的,沒有明顯的差別。而質量有問題的相機,照片上會出現中心比四周亮,也就是暗角現象,同時畫面顆粒感明顯,這也會嚴重影響視覺效果。
工業鏡頭
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本圖中左側鏡頭均勻度較低,拍攝的圖像越靠近邊緣越發黑。
除了鏡頭本身的質量外,打光也會影響到鏡頭成像的均勻度。在下圖中可以看到普通遠心鏡頭和同軸遠心鏡頭拍攝效果的不同。
工業鏡頭
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光照均勻是同軸設計的優點,可以大幅度降低對于打光的難度,很多反光強烈的零件要是想用非同軸的光源去拍攝,就需要非常昂貴的光源,而使用同軸設計的光源就簡單很多,甚至如果是同軸設計的鏡頭只需要簡單的在鏡頭上插入一個點光源就可以讓光照非常均勻。
工業鏡頭
2-3同軸光源

工業鏡頭
2-4同軸光源原理

工業鏡頭
2-5同軸遠心鏡頭,圖為光虎OTL11.5-20-110CT

工業鏡頭
2-6同軸遠心鏡頭使用示意



【來源:光虎光學內部培訓資料】


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