【光学知识】镜头的对比度和均匀度是什么

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  • 来源:光虎光电科技(天津)有限公司

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  • 发布时间:2024-01-02 07:16:26

镜头的对比度和均匀度是什么

我相信大家在日常的摄影或者电脑的使用甚至是看电视的时候肯定都听过一些参数的名字,像对比度、均匀度、分辨率、畸变率等等,这些一般都是用来描述屏幕或者照片的参数。在我们的光学工业镜头中其实也会经常提到这些参数名称,但是其实这其中的一些参数跟日常中经常接触的那些概念还是很有不同的。今天就来给大家讲讲光学工业镜头中的对比度和均匀度。

一、对比度和杂散光

1、对比度

我们常说的对比度指的是一幅图像中明暗区域最亮的白和最暗的黑之间不同亮度层级的测量,差异范围越大代表对比越大,差异范围越小代表对比越小。对比度对视觉效果的影响非常关键,一般来说对比度越大,图像越清晰醒目,色彩也越鲜明艳丽;而对比度小,则会让整个画面都灰蒙蒙的。如下图所示。
工业镜头
1-1-1
而我们也经常会说镜头的对比度高低,但这其实与屏幕和图像的对比度有着一定的不同。想要使图像看起来轮廓分明,黑色细节需要显示为黑色,白色细节需要显示为白色,所以我们在镜头中聊对比度,主要是关注其还原现实形状和轮廓的能力。简单来讲,对比度越高的镜头在黑白交接处的过渡像素越少,对测量样品的准确度就越高。如果镜头的对比度较低的话,在物体的黑白交界处就会有不同深度的大量灰色像素,这些灰色像素往往会干扰视觉检测的精准度,使测试结果不准确。
工业镜头
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本图为差异较大的镜头对比度展示,左侧镜头产生的对比度级别为12.7%,右侧镜头产生的对比度级别为22.6%,可以看到左侧的图像基本上已经完全丢失了最深色的信息。
工业镜头
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本图为两款较接近的镜头对比,其中左侧镜头的对比度相对低一些,可以看到画面中黑白交界处过度像素较多,画面看上去“毛茸茸”的。
工业镜头
1-1-4(黑白交接处的过度像素)


2、杂散光

镜头的对比度会受到很多方面的影响,可能是机械设计的问题也有可能使光路设计的问题,这里说一个常见的问题,那就是杂散光的影响。杂散光是一种在光学系统中有害光,也称为光学“噪声”。这些杂散光可能会对正常成像产生影响。随着对光学系统检测要求的不断提高,杂散光会影响光学系统的性能,降低成像对比度和图像质量,甚至影响信号。因此,分析和抑制杂散光的要求逐渐引起人们的关注,并成为光学系统中图像质量检测的必要环节之一。
杂散光可能是由有效孔径内的多次反射、机制反射或有效孔径外的光反射引起的重影或光斑。这些杂散光可能会影响正常成像,因此需要进行准确的分析和适当的处理。
常见的消杂散光的办法:   
(1)更改光学类型,优化系统结构,或优化机械结构  
(2)增加消杂光光栏 
(3)用螺纹消杂光
工业镜头
1-2-1
不止工业镜头,很多镜头都有消光螺纹,甚至现在的手机镜头也会有消光螺纹,主要原因是这种技术对加工工艺要求很低,效果又非常不错,可以说是性价比很高的一种手段。
(4)对镜筒内壁采用无光发黑氧化,或者喷无光漆,或贴消光绒毛。 
工业镜头
1-2-2,图中镜头为光虎TTL18.5-215-380CL
不止镜头,很多其他会参与光学系统的部件也会使用无光发黑氧化工艺,也是一种非常高性价比的方案。
工业镜头
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本图为使用点光源搭配光虎高倍率远心镜头拍摄的氧化发黑后的金属表面,可以看到周围图像的四周有暗角,在下一章中会详细解释这种现象
(5)使用合理的遮光罩
工业镜头
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(6)透镜镜片边缘涂黑处理

二、均匀度

接下来来说一个投影仪和镜头都会提到的参数——均匀度。在投影设备中。指的是投影仪影像最亮与最暗部分的差异值,一般说来,投影仪最亮的地方会是画面中央的部分,最暗的地方为画面的边缘;因此当均匀度越高,画面中央到边缘的一致性就越高,当均匀度越低,画面的明亮不一的情形也更严重也就是说,均匀度是指从中心到边缘的亮度分布是否均匀。
而在镜头中,均匀度一般指无论是望远或望近,镜头中心的聚焦跟边缘的聚焦是基本相同的。成像均匀度主要由镜头决定,具有良好成像均匀度的镜头,无论在广角或是长焦端,镜头中心的聚焦跟边缘的聚焦基本相同的,没有明显的差别。而质量有问题的相机,照片上会出现中心比四周亮,也就是暗角现象,同时画面颗粒感明显,这也会严重影响视觉效果。
工业镜头
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本图中左侧镜头均匀度较低,拍摄的图像越靠近边缘越发黑。
除了镜头本身的质量外,打光也会影响到镜头成像的均匀度。在下图中可以看到普通远心镜头和同轴远心镜头拍摄效果的不同。
工业镜头
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光照均匀是同轴设计的优点,可以大幅度降低对于打光的难度,很多反光强烈的零件要是想用非同轴的光源去拍摄,就需要非常昂贵的光源,而使用同轴设计的光源就简单很多,甚至如果是同轴设计的镜头只需要简单的在镜头上插入一个点光源就可以让光照非常均匀。
工业镜头
2-3同轴光源

工业镜头
2-4同轴光源原理

工业镜头
2-5同轴远心镜头,图为光虎OTL11.5-20-110CT

工业镜头
2-6同轴远心镜头使用示意



【来源:光虎光学内部培训资料】


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