機(jī)器視覺鏡頭選擇和不同波長的成像應(yīng)用

今天主要來說一說機(jī)器視覺鏡頭選擇和不同波長的成像應(yīng)用。不同波長的光在使用同一個鏡頭的時候會產(chǎn)生不同的效果，這跟鏡頭的透光率和色差等有關(guān)。而不同波長的波段范圍成像主要應(yīng)用也不太一樣，這在實(shí)際項目應(yīng)用中具有重要參考意義，比如現(xiàn)在新冠肺炎疫情體溫檢測中應(yīng)用非常廣的長波紅外(LWIR)成像，用于非接觸式溫度測量。

鏡頭

鏡頭在機(jī)器視覺系統(tǒng)生成的圖像質(zhì)量中起著至關(guān)重要的作用，因為它們決定了相機(jī)傳感器上圖像的清晰度。

鏡頭可以通過多種方式影響圖像質(zhì)量：

1、由于透鏡表面反射而降低了光透射率

2、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點(diǎn)聚焦到圖像上的單個點(diǎn)

3、減少朝向圖像邊緣的光強(qiáng)度

4、圖像的空間失真

通過選擇合適的鏡頭結(jié)構(gòu)，可以將所有這些影響降到最低。外星眼為您重點(diǎn)介紹了在為您的特定需求選擇鏡頭時的一些注意點(diǎn)，包括波長、透光率、色差等。

波長

透鏡傳輸光時，首先要考慮的是所用光的波長，因為這對色差和光傳輸都有重大影響。這在鏡頭設(shè)計中尤為重要，因為越來越多地使用紅外線和紫外線輻射作為可見光的替代品，以揭示原本無法看到的信息。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)與波長相關(guān)的最佳鏡頭性能，而與選擇的波長無關(guān)。

透光率

一般來說，通過玻璃透鏡的空氣中約有4%的光會在每個界面處被反射，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，但最好的傳輸來自使用單色光源和專為該特定波長設(shè)計的透鏡鍍膜。使用涂層波長范圍之外的波長實(shí)際上會降低透射率。

色差

當(dāng)不同波長的光通過空氣-玻璃界面時，每個波長都會折射不同的量。這種色散是一個可測量的量，會導(dǎo)致鏡頭產(chǎn)生色差，鏡頭的邊緣會模糊物體的邊緣，從而無法進(jìn)行準(zhǔn)確的機(jī)器視覺測量。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（圖 1）。使用單色光源時只需要更簡單的鏡頭設(shè)計，因為沒有色差。

圖?1.色差校正

不同波段范圍成像主要應(yīng)用

線掃描成像

線掃描成像用于檢查傳送帶上的連續(xù)材料和成像對象，尤其是在對象長度不同的情況下。線掃描（圖2），當(dāng)物體從下方通過時，通過高速掃描相機(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 x 5 μm 像素單色線傳感器的長度超過80毫米。因此，必須使用大畫幅鏡頭來確保對整個線陣列長度的照明，而不會在光束被阻擋（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的整個可見光譜，因此需要具有較寬的抗反射涂層的消色差透鏡來消除色差并提高透射率。在單芯片相機(jī)中，傳感器上兩個或三個相鄰線的輸出被組合以生成RGB信號，而在三個或四個傳感器相機(jī)中，來自物體的光被收集到一個棱鏡中，該棱鏡將RGB分量（和近紅外（NIR）在四芯片相機(jī)中）用于單個傳感器的同時檢測。這種布置使用公共光路，使其更適合對3D物體或隨機(jī)移動產(chǎn)品進(jìn)行成像，而不會出現(xiàn)空間位移問題，因為 R、G、B 和NIR像素對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)計來補(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。

圖?2.線掃描

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越普遍。NIR可以揭示水果、蔬菜、堅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)境光波動而產(chǎn)生的任何不良影響。如果同時對物體進(jìn)行NIR和彩色成像很重要，則使用兩個單獨(dú)的相機(jī)可能會在獲得兩個圖像之間的準(zhǔn)確配準(zhǔn)方面存在問題。多傳感器棱鏡相機(jī)是一種強(qiáng)大的替代方案。在這里，棱鏡將來自樣品的光分離成可見光和NIR波長通道，這些通道配備了單獨(dú)的傳感器，從而為兩個圖像提供完全相同的視野（圖 3）。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。在這里，棱鏡將來自樣品的光分離成可見光和NIR波長通道，這些通道配備了單獨(dú)的傳感器，從而為兩個圖像提供完全相同的視野（圖 3）。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。在這里，棱鏡將來自樣品的光分離成可見光和NIR波長通道，這些通道配備了單獨(dú)的傳感器，從而為兩個圖像提供完全相同的視野（圖 3）。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。

圖?3.雙通道彩色和?NIR 棱鏡相機(jī)示意圖

短波紅外(SWIR)成像

短波紅外(SWIR)的范圍約為1 - 5 μm，許多相機(jī)經(jīng)過優(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應(yīng)用以及檢查瓶中水性液體的填充水平。硅對SWIR輻射的透明性使得能夠檢測非表面半導(dǎo)體和太陽能電池，包括檢測半導(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別。這將紅外光譜與機(jī)器視覺相結(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（圖 4）。SWIR成像還可以測量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。

圖?4.高光譜圖像中的紅色區(qū)域顯示彩色圖像中不可見的非表面瘀傷

長波紅外(LWIR)成像

長波紅外(LWIR)波段范圍為 8-14 μm。具有微測輻射熱計傳感器的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量。可以在遠(yuǎn)距離、完全黑暗的環(huán)境中以及通過霧、灰塵、雨和煙霧檢測到熱輻射。應(yīng)用包括監(jiān)視、安全和救援，最近還用于在Covid-19(一般指新型冠狀病毒肺炎。新型冠狀病毒肺炎Corona Virus Disease 2019，COVID-19，簡稱“新冠肺炎”)大流行期間對人體進(jìn)行發(fā)燒篩查（圖 5）。工業(yè)應(yīng)用包括無損檢測和過程檢測。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。

圖?5.人體溫度升高的LWIR檢測

紫外成像

紫外成像系統(tǒng)提供比可見光更高的分辨率能力，能夠解析亞微米特征。這對于檢測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)器視覺應(yīng)用中使用的波長都對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。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。由于市場上有大量鏡頭可供選擇，因此與可以對成像要求采取整體方法的專業(yè)視覺技術(shù)供應(yīng)商合作會很有幫助。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，因此針對性的獨(dú)特的建議是好的機(jī)器視覺系統(tǒng)的第一步。

編輯：黃飛

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