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(cè)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(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(cè)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(cè)量液位。