鏡頭與成像方式

鏡頭

鏡頭在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)生成的圖像質(zhì)量中起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗鼈儧Q定了相機(jī)傳感器上圖像的清晰度。鏡頭可以通過(guò)多種方式影響圖像質(zhì)量：

a）由于透鏡表面反射而降低了光透射率；

b）球面像差、色差和缺陷像差可阻止所有光線從物體上的單個(gè)點(diǎn)聚焦到圖像上的單個(gè)點(diǎn)；

c）減少朝向圖像邊緣的光強(qiáng)度；

d）圖像的空間失真。

通過(guò)選擇合適的鏡頭結(jié)構(gòu)，可以將所有這些影響降到最低。

1.波長(zhǎng)

透鏡傳輸光時(shí)，首先要考慮的是所用光的波長(zhǎng)，因?yàn)檫@對(duì)色差和光傳輸都有重大影響。這在鏡頭設(shè)計(jì)中尤為重要，因?yàn)樵絹?lái)越多地使用紅外線和紫外線輻射作為可見(jiàn)光的替代品，以揭示原本無(wú)法看到的信息。雖然寬帶光輻射在某些應(yīng)用（例如彩色成像）中必不可少，但使用單色照明可以實(shí)現(xiàn)與波長(zhǎng)相關(guān)的最佳鏡頭性能，而與選擇的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。

2.透光率

一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)玻璃透鏡的空氣中約有4%的光會(huì)在每個(gè)界面處被反射，這意味著損失了8%的入射光。在鏡片表面使用薄的抗反射涂層可減少這些反射并顯著提高透光率。寬帶鍍膜可用于彩色成像，但最好的傳輸來(lái)自使用單色光源和專為該特定波長(zhǎng)設(shè)計(jì)的透鏡鍍膜。使用涂層波長(zhǎng)范圍之外的波長(zhǎng)實(shí)際上會(huì)降低透射率。

3.色差

當(dāng)不同波長(zhǎng)的光通過(guò)空氣-玻璃界面時(shí)，每個(gè)波長(zhǎng)都會(huì)折射不同的量。這種色散是一個(gè)可測(cè)量的量，會(huì)導(dǎo)致鏡頭產(chǎn)生色差，鏡頭的邊緣會(huì)模糊物體的邊緣，從而無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的機(jī)器視覺(jué)測(cè)量。有數(shù)百種具有不同色散特性的不同光學(xué)玻璃類型可供選擇，從而可以生產(chǎn)具有各種玻璃元件以補(bǔ)償色差效應(yīng)的消色差透鏡，如下圖所示。使用單色光源時(shí)只需要更簡(jiǎn)單的鏡頭設(shè)計(jì)，因?yàn)闆](méi)有色差

成像方式

1.線掃描成像

線掃描成像用于檢查傳送帶上的連續(xù)材料和成像對(duì)象，尤其是在對(duì)象長(zhǎng)度不同的情況下。如下圖所示，當(dāng)物體從下方通過(guò)時(shí)，通過(guò)高速掃描相機(jī)的線傳感器，一次生成一條圖像。

與區(qū)域掃描成像相比，由此產(chǎn)生的較短像素曝光時(shí)間使得鏡頭透射率成為傳感器獲得充足光線的重要因素。傳感器可提供高達(dá)16K像素的分辨率，5×5μm像素單色線傳感器的長(zhǎng)度超過(guò)80mm。因此，必須使用大畫幅鏡頭來(lái)確保對(duì)整個(gè)線陣列長(zhǎng)度的照明，而不會(huì)在光束被阻擋（通常被鏡頭座阻擋）的地方產(chǎn)生機(jī)械漸暈，從而導(dǎo)致圖像邊緣出現(xiàn)陰影。

抗反射鏡片涂層對(duì)于最大化光通量至關(guān)重要。然而，彩色線掃描成像利用400-700nm的整個(gè)可見(jiàn)光譜，因此需要具有較寬的抗反射涂層的消色差透鏡來(lái)消除色差并提高透射率。

在單芯片相機(jī)中，傳感器上兩個(gè)或三個(gè)相鄰線的輸出被組合以生成RGB信號(hào)，而在三個(gè)或四個(gè)傳感器相機(jī)中，來(lái)自物體的光被收集到一個(gè)棱鏡中，該棱鏡將RGB分量（和近紅外（NIR）在四芯片相機(jī)中）用于單個(gè)傳感器的同時(shí)檢測(cè)。這種布置使用公共光路，使其更適合對(duì)3D物體或隨機(jī)移動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)行成像，而不會(huì)出現(xiàn)空間位移問(wèn)題，因?yàn)镽、G、B和NIR像素對(duì)于任何給定的物體位置都是重合的。與基于棱鏡的相機(jī)一起使用的鏡頭需要特殊的設(shè)計(jì)來(lái)補(bǔ)償相機(jī)內(nèi)不同的光路和聚焦特性。為了避免棱鏡的機(jī)械損傷，透鏡的后凸也必須保持很低。

2.近紅外（NIR）成像

近紅外（NIR）波段范圍從700nm延伸到1μm。傳統(tǒng)的CMOS傳感器具有一定的NIR靈敏度，而在850nm以上具有增強(qiáng)靈敏度的版本正變得越來(lái)越普遍。NIR可以揭示水果、蔬菜、堅(jiān)果和肉類等食物中的腐爛、機(jī)械損傷和蟲害等非表面特征。NIR照明還可以穿透某些染料和油墨，從而可以通過(guò)印刷包裝檢查產(chǎn)品。在木材、紡織、紙張、玻璃、瓷磚和電子工業(yè)中也有應(yīng)用，并用于檢查圓柱形物品（如罐頭、瓶子、鋼筆等）甚至旋轉(zhuǎn)物體上的標(biāo)簽。

此外，將脈沖NIR光源與NIR通濾光片結(jié)合使用可消除因環(huán)境光波動(dòng)而產(chǎn)生的任何不良影響。如果同時(shí)對(duì)物體進(jìn)行NIR和彩色成像很重要，則使用兩個(gè)單獨(dú)的相機(jī)可能會(huì)在獲得兩個(gè)圖像之間的準(zhǔn)確配準(zhǔn)方面存在問(wèn)題。多傳感器棱鏡相機(jī)是一種強(qiáng)大的替代方案。在這里，棱鏡將來(lái)自樣品的光分離成可見(jiàn)光和NIR波長(zhǎng)通道，這些通道配備了單獨(dú)的傳感器，從而為兩個(gè)圖像提供完全相同的視野，如下圖所示。與這些相機(jī)一起使用的鏡頭必須與棱鏡的光學(xué)特性很好地匹配。

3.短波紅外（SWIR）成像

短波紅外（SWIR）的范圍約為1-5μm，許多相機(jī)經(jīng)過(guò)優(yōu)化可以在0.9-1.7μm范圍內(nèi)工作。這些相機(jī)需要特殊的探測(cè)器，如砷化銦鎵或碲化汞鎘。 SWIR相機(jī)產(chǎn)生的單色圖像的分辨率和細(xì)節(jié)與可見(jiàn)光相似，但在該波段中可用于鏡頭的商用光學(xué)玻璃較少。這些玻璃通常提供隨著波長(zhǎng)增加而進(jìn)一步降低的低色散，因此可能需要一些更昂貴的高色散特種玻璃元件來(lái)生產(chǎn)消色差透鏡。結(jié)晶紅外材料，例如硒化鋅和氟化鈣，具有高色散性能，但這些材料的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)低于玻璃，而且價(jià)格也更高，因此，大多數(shù)SWIR鏡頭繼續(xù)由具有抗反射涂層的玻璃制成。

水在SWIR區(qū)域強(qiáng)烈吸收光，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)中的大量水分分布檢測(cè)應(yīng)用以及檢查瓶中水性液體的填充水平。硅對(duì)SWIR輻射的透明性使得能夠檢測(cè)非表面半導(dǎo)體和太陽(yáng)能電池，包括檢測(cè)半導(dǎo)體晶錠中的雜質(zhì)和多晶材料中的裂縫，而在回收過(guò)程中，可以區(qū)分塑料材料。有機(jī)材料和塑料根據(jù)其成分選擇性吸收SWIR波長(zhǎng)而產(chǎn)生的獨(dú)特“指紋”可使高光譜成像成為它們的唯一識(shí)別。這將紅外光譜與機(jī)器視覺(jué)相結(jié)合，生成根據(jù)被成像物體的化學(xué)成分進(jìn)行顏色編碼的圖像，如下圖所示。SWIR成像還可以測(cè)量250℃和800℃之間的溫度，使其可用于在制造和焊接應(yīng)用的早期檢查熱玻璃材料。

4.長(zhǎng)波紅外（LWIR）成像

長(zhǎng)波紅外（LWIR）波段范圍為8-14μm。具有微測(cè)輻射熱計(jì)傳感器的LWIR相機(jī)使用自然發(fā)射的輻射（熱成像）可實(shí)現(xiàn)高達(dá)250℃的高精度表面溫度分布測(cè)量?？梢栽谶h(yuǎn)距離、完全黑暗的環(huán)境中以及通過(guò)霧、灰塵、雨和煙霧檢測(cè)到熱輻射。應(yīng)用包括監(jiān)視、安全、救援、無(wú)損檢測(cè)和過(guò)程檢測(cè)。LWIR光學(xué)器件通常由鍺或硫?qū)倩锊牧现瞥?，例如Ge33As12Se55。硫?qū)倩锞哂信c鍺相似的光學(xué)和機(jī)械性能，但折射率不同。

5.紫外成像

紫外成像系統(tǒng)提供比可見(jiàn)光更高的分辨率能力，能夠解析亞微米特征。這對(duì)于檢測(cè)拋光或高度鏡面表面上的劃痕和缺陷以及印刷電路板、文件和信用卡等產(chǎn)品中非常小的表面細(xì)節(jié)特別有用。由于玻璃會(huì)減弱紫外線，石英透鏡可用于UV-A（320–400nm）和UV-B（290-320nm）照明，并且可以構(gòu)建消色差雙合透鏡。

選擇鏡頭

任何機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中使用的波長(zhǎng)都對(duì)選擇最合適的鏡頭具有重要意義，更廣泛的光譜范圍需要更復(fù)雜的鏡頭設(shè)計(jì)。但是，還必須考慮其他因素，包括其他缺陷和像差校正，以及使用鏡頭的物理環(huán)境。由于市場(chǎng)上有大量鏡頭可供選擇，因此與可以對(duì)成像要求采取整體方法的專業(yè)視覺(jué)技術(shù)供應(yīng)商合作會(huì)很有幫助。可以肯定的是，很少有一家制造商可以為所有應(yīng)用提供正確的光學(xué)解決方案，因此針對(duì)性的建議是好的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的第一步。