今天主要來(lái)說(shuō)一說(shuō)機(jī)器視覺(jué)鏡頭選擇和不同波長(zhǎng)的成像應(yīng)用。不同波長(zhǎng)的光在使用同一個(gè)鏡頭的時(shí)候會(huì)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(zhǎng)的波段范圍成像主要應(yīng)用也不太一樣，這在實(shí)際項(xiàng)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(cè)中應(yīng)用非常廣的長(zhǎng)波紅外(LWIR)成像，用于非接觸式溫度測(cè)量。

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：

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(gè)點(diǎn)聚焦到圖像上的單個(gè)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(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。外星眼為您重點(diǎn)介紹了在為您的特定需求選擇鏡頭時(shí)的一些注意點(diǎn)，包括波長(zhǎng)、透光率、色差等。

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)。

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。

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（圖 1）。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。

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(duì)象，尤其是在對(duì)象長(zhǎng)度不同的情況下。線掃描（圖2），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 x 5 μm 像素單色線傳感器的長(zhǎng)度超過(guò)80毫米。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?？狗瓷溏R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)?R、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。

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(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(chóng)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（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(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（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(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（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

圖 4.高光譜圖像中的紅色區(qū)域顯示彩色圖像中不可見(jiàn)的非表面瘀傷

長(zhǎng)波紅外(LWIR)成像

       長(zhǎng)波紅外(LWIR)波段范圍為 8-14 μm。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(jiǎn)稱“新冠肺炎”)大流行期間對(duì)人體進(jìn)行發(fā)燒篩查（圖 5）。工業(yè)應(yīng)用包括無(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锊牧现瞥桑鏕e33As12Se55。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(cè)

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?？梢钥隙ǖ氖牵苌儆幸患抑圃焐炭梢詾樗袘?yīng)用提供正確的光學(xué)解決方案，因此針對(duì)性的獨(dú)特的建議是好的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的第一步。

        深圳市雙翌光電科技有限公司是一家以機(jī)器視覺(jué)為技術(shù)核心，自主技術(shù)研究與應(yīng)用拓展為導(dǎo)向的高科技企業(yè)。公司自成立以來(lái)不斷創(chuàng)新，在智能自動(dòng)化領(lǐng)域研發(fā)出視覺(jué)對(duì)位系統(tǒng)、機(jī)械手視覺(jué)定位、圖像處理庫(kù)等為核心的20多款自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品。涉及自動(dòng)貼合機(jī)、絲印機(jī)、曝光機(jī)、疊片機(jī)、貼片機(jī)、智能檢測(cè)、智能鐳射等眾多行業(yè)領(lǐng)域。雙翌視覺(jué)系統(tǒng)最高生產(chǎn)精度可達(dá)um級(jí)別，圖像處理精準(zhǔn)、速度快，將智能自動(dòng)化制造行業(yè)的生產(chǎn)水平提升到一個(gè)更高的層次，改進(jìn)了以往落后的生產(chǎn)流程，得到廣大用戶的認(rèn)可與肯定。隨著智能自動(dòng)化生產(chǎn)的普及與發(fā)展，雙翌將為廣大生產(chǎn)行業(yè)帶來(lái)更全面、更精細(xì)、更智能化的技術(shù)及服務(wù)。