棱镜式相机与标准的单传感器相机不同，它通过多个传感器同步采集多个不同波段的图像，使用单个镜头共享同一光路。这类相机将入射光线分配到多个通道，各个通道的图像无论是在运动时或是不同的测量视角下均可实现像素级的对准精度。

镜头的作用

镜头是成像系统的关键组成部分，将特定角度的光线聚焦于传感器，以此将三维空间呈现于二维平面。相机镜头通常包含多个镜片，其材料、厚度、半径、镀膜各不相同，这决定了镜头的视角（FOV）。针对不同的相机和应用场景进行的优化，也导致其成本各不相同。

棱镜式相机镜头选型的重要性无需赘言，不仅要考虑适当的焦距、成像圈以及满足帧率、景深和光照条件的光圈等参数，也要考虑镜头在设计上是否针对棱镜式相机进行了优化。那么真正的原因是什么呢？为什么一个为单传感器设计的标准镜头即使满足了该应用的所有条件，也不能用在棱镜相机上呢？

棱镜如何影响成像

影响是来自多方面的。首先，在镜头的后组镜片和传感器之间有一个厚厚的玻璃元件，即棱镜，用于改变光路（遵循光的折射定律）。其次，这类镜头需要覆盖更广的波长范围，从较短的可见光（即蓝光）一直到近红外光波段。在整个光谱范围内对镜头进行优化使制造过程复杂且成本高昂。技术的挑战与进步如影随形，越来越多的相机拥有更宽的感光范围，不仅覆盖了可见光和近红外，还包括红外短波范围。

棱镜借助其表面的二向色镜可以将光线分为不同的光谱波段，确保每个传感器只接收经过预先过滤的波长范围内的光子。因此，棱镜的颜色区分效率远远高于拜耳式传感器。拜耳滤光片通常会造成光学缺陷，比如边缘处的伪色或莫尔条纹。

拜耳插值造成的伪色（莫尔条纹）（左图）多传感器棱镜式相机的成像效果（右图）

工作角度不受限制

棱镜式相机镜头的另一项重要考量因素与光线入射棱镜模块的角度有关。根据光的折射定律，光从一种介质斜射入另一种不同密度的介质时，传播方向发生改变，从而使光线在不同介质的交界处发生偏折的现象。光在通过棱镜时同样遵守这一定律。棱镜模块由多个部分组成，包括了二向色镜。尽管二向色镜透光率曲线转换非常理想，可以根据波长准确地将光束分离，但是光的干涉决定了实际效果与入射角相关，也就是透光率会随着入射角度而变化。这可能导致颜色阴影问题，入射角度变化越大，阴影效果越明显。

SRGB棱镜通过二向色镜分离光束

此时镜头的光瞳变得十分重要。镜头的入瞳和出瞳是虚拟“窗口”，代表光线如何射入和射出镜头。从镜头的前方或后方可以看到该虚拟孔径，影响着不同角度的光束如何射入镜头以及射出镜头后如何进入传感器。

由于棱镜内贴合面的二向色镜会受到入射角影响，为了尽量减少可能产生的阴影效果，进入棱镜的光线应当尽可能垂直于棱镜表面。这可以通过在光学设计过程中将出瞳的位置“远离”棱镜来实现。

由于出瞳的位置在单传感器相机的成像过程中并不发挥重要作用，因此标准镜头不会针对光线入射角进行优化。更复杂的设计和更多的镜片将增加成本——这并不会给客户带来明显的好处。但如果给棱镜相机搭配标准镜头，光线将以相对较大的角度入射棱镜，部分光线无法穿透棱镜，导致图像在某些波段局部变暗，从而造成图像颜色渐变。

标准镜头下二向色镜因入射角造成的颜色渐变（左图）特定棱镜式镜头下二向色镜因入射角造成的颜色渐变（右图）

即使是最先进的多传感器棱镜优化镜头也可能造成轻微的颜色渐变，JAI因此引入一项称为阴影校正的相机内置功能，当镜头的阴影问题处于可控范围之内时，该补偿方式可以让三个颜色通道内感光响应变得足够均匀。

焦平面的考量

颜色渐变并不是唯一影响成像质量的因素。不同波长的光线在通过物质边界时特性也不尽相同，从而导致在不同的光谱通道产生不同的焦距。如果使用未经优化的镜头系统，某些波段可能会出现模糊或偏移，特别是在可见光和近红外（NIR）范围内同时成像时，问题可能更加显著。

镜头无法把不同波长的光线聚焦到同一个焦平面的现象称为纵向色差。色差足够大时，就无法在多传感器相机（如JAI的Apex系列、Fusion系列和Fusion Flex-Eye系列相机）的各个通道上同时获得清晰的图像。进而造成部分可见光或近红外通道的轻微失焦。

纵向色差

另一种关键的像差叫做横向色差。在这种情况下，不同波长光线投射的位置将出现偏移，从而造成重影。每个波段呈现不同的放大率，因此该现象在图像的边缘尤其明显。

JAI始终力求所有棱镜式相机的传感器拥有亚像素级的对准精度。选择没有色差的镜头非常必要，因为横向色差会抵消对准精度带来的种种好处。此外，相对于纵向色差，横向色差在某种程度上可以通过软件进行补偿，避免损失过多的图像细节。要了解更多关于哪些相机支持这种JAI的专利功能，请联系我们的专家。

横向色差

寻找合适的组合

如果一个机器视觉系统选择使用棱镜相机，通常是期望或者要求实现更高的精度和更好的图像质量。搭配经过优化的镜头，让整幅图像无死角地保持高清晰度变得十分重要。JAI提供的棱镜式优化镜头就是为此而设计的，在整个成像圈内呈现稳定的MTF以及均衡的像场。

值得一提的是光学的世界里不存在完美的镜头。像差可以降低但无法完全消除。选择镜头最终是在优点和需求之间取得权衡。因此“对于该应用而言什么是最重要的？”成为关键问题。究竟是低色差、全通道高清晰度、全波段像素级成像匹配更重要，还是较低的总体成本更重要呢？我们的专家将竭诚帮助您做出最优选择。

（文章来源于皆爱科技）