光學和照明設計必須在機器視覺中達到微妙的平衡

    新的應用和傳感器往往會推動用于機器視覺的光學和照明領域的大多數創新，而這種創新通常必須并行發展。傳感器的選擇在很大程度上取決于所討論的最終應用，并且通常也取決于照明。但是，對于光學而言，傳感器和照明通常是“有問題的應用”。除非鏡頭正確且均勻地將光線均勻分布在其活動區域上，否則即使是眼神敏銳的傳感器也無法發揮作用。光學供應商面臨的挑戰是機器視覺應用的發展如此之快，以至于難以跟上步伐。

    隨著傳感器和照明技術的發展，存在許多新的應用需求。光學供應商面臨的問題已經變成“需要優化哪種透鏡設計才能與下游發生的事情一起工作？”

    光學設計藍調

    例如，安裝在無人機上的遙感裝置可能更喜歡具有高分辨率的大幅面傳感器，這僅僅是因為將更多像素打包成較大的陣列可以使無人機在有限的飛行時間內收集盡可能多的圖像數據。這種應用需求很容易理解，因此可以預測您是否是傳感器制造商。因此，積極投資于大幅面傳感器的開發是合理的。對于光學制造商來說，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計更大的透鏡。

    許多系統將鏡頭組件和濾鏡組合在一起，對于當今通常與無人機相關聯的寬視場應用而言，這可能會變得復雜。

    過去，應用程序需求不那么苛刻。由于系統更加寬容，因此光學設計人員并不需要總是考慮濾光片所產生的影響。現在，這些非常寬的角度可能會導致濾光片通過的光在您穿過視場時向光譜的藍色部分偏移（藍色偏移）。但是，今天，您需要設計一個帶有用于濾鏡的調節器的透鏡，以最大程度地減少廣角（例如45度）通過的光的藍移。由于它消除了過去可用的一些現成的即插即用選項，因此使事情變得更加困難。

    當設計更大的格式時，復雜性不會停止。CMOS圖像傳感器的堆疊可以幫助加快圖像捕獲速度，但是它提出了一個與我們的遙感應用程序類似的設計問題。“CMOS成像板的堆疊正在創造更深的井，需要更窄入射角的像側透鏡設計。”“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]將遭受對比度和均勻性的困擾。視場中心將變亮，而強度在拐角處下降。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成的商品，因此設計和生產成本更高。這也給專注于上市時間的相機制造商和集成商造成了潛在的瓶頸。

    使照明成為現實

    這種對整體設計方法的訴求延伸到照明組件。理想情況下，應將照明和成像光學器件一起設計為一個系統，以確保鏡頭收集最佳光線，而不會收集次佳光線。落在鏡頭視場之外的光線會造成眩光并降低圖像對比度。一起設計照明和光學元件可以更輕松地將兩者匹配以達到最佳效果。它還可以最小化成本并縮短產品上市時間。

    成像系統光源的波長范圍也會影響鏡頭的選擇以及整個系統的性能。通常只需將范圍縮小到幾納米，就可以提高圖像對比度。將濾波器與寬帶光源一起使用會有所幫助，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際上可以提高透鏡的性能。另外，濾光器可實現的功能取決于光源。就其本身而言，它們不能提高對比度。

    利用光源的波長可以在機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計需要校正的內容，并引入有趣的新選項來增加圖像的對比度。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。

    可見范圍內的每種顏色都有相反的顏色，可用于增強圖像對比度。因此，例如，用綠色的光照射綠色的特征會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）會使其看起來更暗。

    但是，提高圖像對比度不必依靠窄帶光源。例如，紫外線（UV）范圍內的短波長比可見光或紅外線更強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，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）光源和傳感器產生的高對比度圖像中，很難或不可能用可見光產生。水在1450nm的SWIR中吸收非常強，這使InGaAs相機圖像中的水分顯得暗淡。這引入了用于檢查農產品是否有瘀傷或測量農作物或幼苗中水分含量的新選項。SWIR還可以穿透塑料薄壁，從而可以通過不透明的容器自動測量液位。