光学和照明设计必须在机器视觉中达到微妙的平衡

    新的应用和传感器往往会推动用于机器视觉的光学和照明领域的大多数创新，而这种创新通常必须并行发展。传感器的选择在很大程度上取决于所讨论的最终应用，并且通常也取决于照明。但是，对于光学而言，传感器和照明通常是“有问题的应用”。除非镜头正确且均匀地将光线均匀分布在其活动区域上，否则即使是眼神敏锐的传感器也无法发挥作用。光学供应商面临的挑战是机器视觉应用的发展如此之快，以至于难以跟上步伐。

乐发vll    随着传感器和照明技术的发展，存在许多新的应用需求。光学供应商面临的问题已经变成“需要优化哪种透镜设计才能与下游发生的事情一起工作？”

    光学设计蓝调

    例如，安装在无人机上的遥感装置可能更喜欢具有高分辨率的大幅面传感器，这仅仅是因为将更多像素打包成较大的阵列可以使无人机在有限的飞行时间内收集尽可能多的图像数据。这种应用需求很容易理解，因此可以预测您是否是传感器制造商。因此，积极投资于大幅面传感器的开发是合理的。对于光学制造商来说，这种选择并不是那么简单，他们不能在不考虑许多其他变量的情况下设计更大的透镜。

    许多系统将镜头组件和滤镜组合在一起，对于当今通常与无人机相关联的宽视场应用而言，这可能会变得复杂。

乐发vll    过去，应用程序需求不那么苛刻。由于系统更加宽容，因此光学设计人员并不需要总是考虑滤光片所产生的影响。现在，这些非常宽的角度可能会导致滤光片通过的光在您穿过视场时向光谱的蓝色部分偏移（蓝色偏移）。但是，今天，您需要设计一个带有用于滤镜的调节器的透镜，以最大程度地减少广角（例如45度）通过的光的蓝移。由于它消除了过去可用的一些现成的即插即用选项，因此使事情变得更加困难。

    当设计更大的格式时，复杂性不会停止。CMOS图像传感器的堆叠可以帮助加快图像捕获速度，但是它提出了一个与我们的遥感应用程序类似的设计问题。“CMOS成像板的堆叠正在创造更深的井，需要更窄入射角的像侧透镜设计。”“与大于三分之二英寸格式的CCD传感器兼容的镜头可能与相同尺寸的CMOS传感器不兼容。它们可能共享相同的分辨率，但是[CMOS图像捕获]将遭受对比度和均匀性的困扰。视场中心将变亮，而强度在拐角处下降。因此整体一致性很差。”

乐发vll    由于镜头组件比传感器更不可能成为现成的商品，因此设计和生产成本更高。这也给专注于上市时间的相机制造商和集成商造成了潜在的瓶颈。

    使照明成为现实

    这种对整体设计方法的诉求延伸到照明组件。理想情况下，应将照明和成像光学器件一起设计为一个系统，以确保镜头收集最佳光线，而不会收集次佳光线。落在镜头视场之外的光线会造成眩光并降低图像对比度。一起设计照明和光学元件可以更轻松地将两者匹配以达到最佳效果。它还可以最小化成本并缩短产品上市时间。

    成像系统光源的波长范围也会影响镜头的选择以及整个系统的性能。通常只需将范围缩小到几纳米，就可以提高图像对比度。将滤波器与宽带光源一起使用会有所帮助，但这并不总是比选择窄带光源灵活的解决方案。首先，透镜将不同波长的光聚焦在不同的距离上，因此使用窄带光源实际上可以提高透镜的性能。另外，滤光器可实现的功能取决于光源。就其本身而言，它们不能提高对比度。

    利用光源的波长可以在机器视觉中完成很多工作。使用诸如LED之类的窄带光源可以最大程度地减少镜头设计需要校正的内容，并引入有趣的新选项来增加图像的对比度。特定材料吸收或反射特定波长的方式还可以突出显示在宽带光下不可见的缺陷。

    可见范围内的每种颜色都有相反的颜色，可用于增强图像对比度。因此，例如，用绿色的光照射绿色的特征会使它在图像传感器上显得更亮，而用红色的光照射绿色（与之相反）会使其看起来更暗。

乐发vll    但是，提高图像对比度不必依靠窄带光源。例如，紫外线（UV）范围内的短波长比可见光或红外线更强烈地散射出表面特征。或者，如果紫外线被吸收，它们倾向于在表面被吸收。无论哪种情况，使用气体放电管或UVLED来成像UV光如何与材料相互作用都可以帮助检测在光谱上其他地方不可见的污染物或浅划痕。当检查玻璃显示器，透镜和其他在可见光谱中看起来透明的材料时，这提供了明显的好处。

    电磁光谱的另一端也有类似的好处，在短波红外（SWIR）光源和传感器产生的高对比度图像中，很难或不可能用可见光产生。水在1450nm的SWIR中吸收非常强，这使InGaAs相机图像中的水分显得暗淡。这引入了用于检查农产品是否有瘀伤或测量农作物或幼苗中水分含量的新选项。SWIR还可以穿透塑料薄壁，从而可以通过不透明的容器自动测量液位。