光學(xué)和照明設(shè)計(jì)必須在機(jī)器視覺中達(dá)到微妙的平衡

    新的應(yīng)用和傳感器往往會(huì)推動(dòng)用于機(jī)器視覺的光學(xué)和照明領(lǐng)域的大多數(shù)創(chuàng)新，而這種創(chuàng)新通常必須并行發(fā)展。傳感器的選擇在很大程度上取決于所討論的最終應(yīng)用，并且通常也取決于照明。但是，對(duì)于光學(xué)而言，傳感器和照明通常是“有問題的應(yīng)用”。除非鏡頭正確且均勻地將光線均勻分布在其活動(dòng)區(qū)域上，否則即使是眼神敏銳的傳感器也無法發(fā)揮作用。光學(xué)供應(yīng)商面臨的挑戰(zhàn)是機(jī)器視覺應(yīng)用的發(fā)展如此之快，以至于難以跟上步伐。

    隨著傳感器和照明技術(shù)的發(fā)展，存在許多新的應(yīng)用需求。光學(xué)供應(yīng)商面臨的問題已經(jīng)變成“需要優(yōu)化哪種透鏡設(shè)計(jì)才能與下游發(fā)生的事情一起工作？”

    光學(xué)設(shè)計(jì)藍(lán)調(diào)

    例如，安裝在無人機(jī)上的遙感裝置可能更喜歡具有高分辨率的大幅面?zhèn)鞲衅鳎@僅僅是因?yàn)閷⒏嘞袼卮虬奢^大的陣列可以使無人機(jī)在有限的飛行時(shí)間內(nèi)收集盡可能多的圖像數(shù)據(jù)。這種應(yīng)用需求很容易理解，因此可以預(yù)測您是否是傳感器制造商。因此，積極投資于大幅面?zhèn)鞲衅鞯拈_發(fā)是合理的。對(duì)于光學(xué)制造商來說，這種選擇并不是那么簡單，他們不能在不考慮許多其他變量的情況下設(shè)計(jì)更大的透鏡。

    許多系統(tǒng)將鏡頭組件和濾鏡組合在一起，對(duì)于當(dāng)今通常與無人機(jī)相關(guān)聯(lián)的寬視場應(yīng)用而言，這可能會(huì)變得復(fù)雜。

    過去，應(yīng)用程序需求不那么苛刻。由于系統(tǒng)更加寬容，因此光學(xué)設(shè)計(jì)人員并不需要總是考慮濾光片所產(chǎn)生的影響。現(xiàn)在，這些非常寬的角度可能會(huì)導(dǎo)致濾光片通過的光在您穿過視場時(shí)向光譜的藍(lán)色部分偏移（藍(lán)色偏移）。但是，今天，您需要設(shè)計(jì)一個(gè)帶有用于濾鏡的調(diào)節(jié)器的透鏡，以最大程度地減少廣角（例如45度）通過的光的藍(lán)移。由于它消除了過去可用的一些現(xiàn)成的即插即用選項(xiàng)，因此使事情變得更加困難。

    當(dāng)設(shè)計(jì)更大的格式時(shí)，復(fù)雜性不會(huì)停止。CMOS圖像傳感器的堆疊可以幫助加快圖像捕獲速度，但是它提出了一個(gè)與我們的遙感應(yīng)用程序類似的設(shè)計(jì)問題。“CMOS成像板的堆疊正在創(chuàng)造更深的井，需要更窄入射角的像側(cè)透鏡設(shè)計(jì)。”“與大于三分之二英寸格式的CCD傳感器兼容的鏡頭可能與相同尺寸的CMOS傳感器不兼容。它們可能共享相同的分辨率，但是[CMOS圖像捕獲]將遭受對(duì)比度和均勻性的困擾。視場中心將變亮，而強(qiáng)度在拐角處下降。因此整體一致性很差。”

    由于鏡頭組件比傳感器更不可能成為現(xiàn)成的商品，因此設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本更高。這也給專注于上市時(shí)間的相機(jī)制造商和集成商造成了潛在的瓶頸。

    使照明成為現(xiàn)實(shí)

    這種對(duì)整體設(shè)計(jì)方法的訴求延伸到照明組件。理想情況下，應(yīng)將照明和成像光學(xué)器件一起設(shè)計(jì)為一個(gè)系統(tǒng)，以確保鏡頭收集最佳光線，而不會(huì)收集次佳光線。落在鏡頭視場之外的光線會(huì)造成眩光并降低圖像對(duì)比度。一起設(shè)計(jì)照明和光學(xué)元件可以更輕松地將兩者匹配以達(dá)到最佳效果。它還可以最小化成本并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

    成像系統(tǒng)光源的波長范圍也會(huì)影響鏡頭的選擇以及整個(gè)系統(tǒng)的性能。通常只需將范圍縮小到幾納米，就可以提高圖像對(duì)比度。將濾波器與寬帶光源一起使用會(huì)有所幫助，但這并不總是比選擇窄帶光源靈活的解決方案。首先，透鏡將不同波長的光聚焦在不同的距離上，因此使用窄帶光源實(shí)際上可以提高透鏡的性能。另外，濾光器可實(shí)現(xiàn)的功能取決于光源。就其本身而言，它們不能提高對(duì)比度。

    利用光源的波長可以在機(jī)器視覺中完成很多工作。使用諸如LED之類的窄帶光源可以最大程度地減少鏡頭設(shè)計(jì)需要校正的內(nèi)容，并引入有趣的新選項(xiàng)來增加圖像的對(duì)比度。特定材料吸收或反射特定波長的方式還可以突出顯示在寬帶光下不可見的缺陷。

    可見范圍內(nèi)的每種顏色都有相反的顏色，可用于增強(qiáng)圖像對(duì)比度。因此，例如，用綠色的光照射綠色的特征會(huì)使它在圖像傳感器上顯得更亮，而用紅色的光照射綠色（與之相反）會(huì)使其看起來更暗。

    但是，提高圖像對(duì)比度不必依靠窄帶光源。例如，紫外線（UV）范圍內(nèi)的短波長比可見光或紅外線更強(qiáng)烈地散射出表面特征。或者，如果紫外線被吸收，它們傾向于在表面被吸收。無論哪種情況，使用氣體放電管或UVLED來成像UV光如何與材料相互作用都可以幫助檢測在光譜上其他地方不可見的污染物或淺劃痕。當(dāng)檢查玻璃顯示器，透鏡和其他在可見光譜中看起來透明的材料時(shí)，這提供了明顯的好處。

    電磁光譜的另一端也有類似的好處，在短波紅外（SWIR）光源和傳感器產(chǎn)生的高對(duì)比度圖像中，很難或不可能用可見光產(chǎn)生。水在1450nm的SWIR中吸收非常強(qiáng)，這使InGaAs相機(jī)圖像中的水分顯得暗淡。這引入了用于檢查農(nóng)產(chǎn)品是否有瘀傷或測量農(nóng)作物或幼苗中水分含量的新選項(xiàng)。SWIR還可以穿透塑料薄壁，從而可以通過不透明的容器自動(dòng)測量液位。