今天主(zhu)要(yao)(yao)來說(shuo)一說(shuo)機器視覺鏡頭(tou)選擇和(he)(he)不(bu)(bu)同(tong)波長的(de)(de)(de)成(cheng)像(xiang)應用。不(bu)(bu)同(tong)波長的(de)(de)(de)光(guang)在(zai)使(shi)用同(tong)一個鏡頭(tou)的(de)(de)(de)時候會產生不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)效果，這跟鏡頭(tou)的(de)(de)(de)透光(guang)率和(he)(he)色(se)差等(deng)有關。而不(bu)(bu)同(tong)波長的(de)(de)(de)波段范圍成(cheng)像(xiang)主(zhu)要(yao)(yao)應用也不(bu)(bu)太(tai)一樣，這在(zai)實際項(xiang)目應用中(zhong)具有重(zhong)要(yao)(yao)參(can)考意義，比如現(xian)在(zai)新冠肺炎疫情體(ti)溫(wen)檢測中(zhong)應用非常廣的(de)(de)(de)長波紅外(LWIR)成(cheng)像(xiang)，用于非接觸式溫(wen)度(du)測量。

鏡頭

       鏡(jing)頭在機器(qi)視覺系統生成(cheng)的圖像質量中起著至關重要的作用，因為它們決(jue)定(ding)了相(xiang)機傳感器(qi)上(shang)圖像的清晰度。

鏡頭可以(yi)通過多種方式影響圖像質量：

1、由于透鏡表面反射而降低了光透射率

2、球(qiu)面像(xiang)差、色(se)差和缺陷像(xiang)差可阻(zu)止所有(you)光線從物體上(shang)的單(dan)個(ge)點聚焦到圖(tu)像(xiang)上(shang)的單(dan)個(ge)點

3、減少朝向(xiang)圖像邊緣的光強度

4、圖像的空間失真

       通過選擇合(he)適的(de)鏡頭結構，可以將所有這些影響降到最低。外(wai)星眼為(wei)您重點介紹了在(zai)為(wei)您的(de)特(te)定需求(qiu)選擇鏡頭時的(de)一些注意點，包括波長、透光(guang)率、色差(cha)等。

波長

       透鏡傳輸光(guang)(guang)時，首先要(yao)考慮(lv)的(de)(de)是(shi)所(suo)用(yong)光(guang)(guang)的(de)(de)波(bo)(bo)長(chang)，因(yin)(yin)為這對色(se)差(cha)和(he)光(guang)(guang)傳輸都有重(zhong)大影響。這在(zai)鏡頭設計中尤為重(zhong)要(yao)，因(yin)(yin)為越(yue)來(lai)越(yue)多地(di)使(shi)(shi)用(yong)紅外線和(he)紫外線輻射(she)作為可(ke)見光(guang)(guang)的(de)(de)替(ti)代品，以(yi)揭(jie)示原本無法看(kan)到的(de)(de)信(xin)息。雖然寬(kuan)帶光(guang)(guang)輻射(she)在(zai)某些應用(yong)（例如彩色(se)成像(xiang)）中必(bi)不可(ke)少(shao)，但使(shi)(shi)用(yong)單色(se)照明可(ke)以(yi)實現與(yu)波(bo)(bo)長(chang)相關的(de)(de)最佳鏡頭性能(neng)，而(er)與(yu)選擇的(de)(de)波(bo)(bo)長(chang)無關。

透光率

       一般(ban)來(lai)說，通過玻(bo)璃透(tou)(tou)鏡(jing)的(de)空氣中(zhong)約有4%的(de)光會(hui)在每(mei)個界(jie)面處(chu)被反(fan)射，這(zhe)意味著損(sun)失了8%的(de)入射光。在鏡(jing)片表(biao)面使用(yong)薄(bo)的(de)抗反(fan)射涂層可減少(shao)這(zhe)些反(fan)射并(bing)顯著提高透(tou)(tou)光率(lv)。寬帶鍍膜(mo)(mo)可用(yong)于彩色成像，但(dan)最好的(de)傳輸來(lai)自使用(yong)單色光源和專為該特(te)定波(bo)(bo)(bo)長(chang)設計的(de)透(tou)(tou)鏡(jing)鍍膜(mo)(mo)。使用(yong)涂層波(bo)(bo)(bo)長(chang)范圍之外的(de)波(bo)(bo)(bo)長(chang)實際(ji)上會(hui)降低透(tou)(tou)射率(lv)。

色差

       當不(bu)(bu)同波長(chang)的(de)(de)光(guang)通過空氣-玻(bo)璃界面時(shi)，每(mei)個波長(chang)都會(hui)(hui)折射不(bu)(bu)同的(de)(de)量(liang)。這種(zhong)(zhong)色散是一個可測量(liang)的(de)(de)量(liang)，會(hui)(hui)導致鏡頭產生色差，鏡頭的(de)(de)邊(bian)緣會(hui)(hui)模糊物體(ti)的(de)(de)邊(bian)緣，從(cong)而無法進行(xing)準確的(de)(de)機器視覺測量(liang)。有(you)數(shu)百種(zhong)(zhong)具有(you)不(bu)(bu)同色散特性(xing)的(de)(de)不(bu)(bu)同光(guang)學玻(bo)璃類(lei)型可供(gong)選擇，從(cong)而可以生產具有(you)各種(zhong)(zhong)玻(bo)璃元件以補償色差效應的(de)(de)消色差透(tou)鏡（圖 1）。使用單(dan)色光(guang)源(yuan)時(shi)只(zhi)需(xu)要更簡單(dan)的(de)(de)鏡頭設計，因為沒有(you)色差。

圖1. 色差校正

不同波段范圍成像主要應用

線掃描成像

       線(xian)(xian)掃(sao)描(miao)成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)用(yong)于(yu)檢(jian)查傳(chuan)(chuan)(chuan)送帶(dai)上(shang)的(de)(de)(de)(de)連續材料和成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)對(dui)象(xiang)，尤(you)其是在(zai)對(dui)象(xiang)長(chang)(chang)度(du)(du)不同的(de)(de)(de)(de)情(qing)況下。線(xian)(xian)掃(sao)描(miao)（圖(tu)(tu)2），當物體從(cong)下方(fang)通過(guo)時，通過(guo)高(gao)速掃(sao)描(miao)相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)線(xian)(xian)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)，一次生成(cheng)(cheng)一條圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)。與區(qu)域掃(sao)描(miao)成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)相(xiang)(xiang)(xiang)比，由此產(chan)生的(de)(de)(de)(de)較短像(xiang)(xiang)素(su)(su)曝光(guang)(guang)時間使得鏡頭(tou)(tou)(tou)透(tou)射率(lv)成(cheng)(cheng)為傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)獲(huo)得充足光(guang)(guang)線(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)重(zhong)(zhong)要(yao)因(yin)素(su)(su)。傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)可提(ti)供高(gao)達(da)16K像(xiang)(xiang)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)分辨率(lv)，5 x 5 μm 像(xiang)(xiang)素(su)(su)單色線(xian)(xian)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)的(de)(de)(de)(de)長(chang)(chang)度(du)(du)超過(guo)80毫米。因(yin)此，必須使用(yong)大畫幅鏡頭(tou)(tou)(tou)來確保(bao)(bao)對(dui)整(zheng)個(ge)(ge)線(xian)(xian)陣(zhen)列長(chang)(chang)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)照明(ming)，而(er)(er)不會在(zai)光(guang)(guang)束被(bei)(bei)阻擋（通常被(bei)(bei)鏡頭(tou)(tou)(tou)座阻擋）的(de)(de)(de)(de)地方(fang)產(chan)生機(ji)(ji)械漸暈，從(cong)而(er)(er)導致圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)邊(bian)緣出現陰(yin)影。抗(kang)反(fan)(fan)射鏡片(pian)涂層對(dui)于(yu)最大化光(guang)(guang)通量至關重(zhong)(zhong)要(yao)。然而(er)(er)，彩(cai)色線(xian)(xian)掃(sao)描(miao)成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)利(li)用(yong)400-700nm的(de)(de)(de)(de)整(zheng)個(ge)(ge)可見光(guang)(guang)譜，因(yin)此需要(yao)具有較寬的(de)(de)(de)(de)抗(kang)反(fan)(fan)射涂層的(de)(de)(de)(de)消色差透(tou)鏡來消除色差并(bing)提(ti)高(gao)透(tou)射率(lv)。在(zai)單芯片(pian)相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)(ji)中(zhong)(zhong)，傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)上(shang)兩個(ge)(ge)或(huo)三個(ge)(ge)相(xiang)(xiang)(xiang)鄰(lin)線(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)輸(shu)出被(bei)(bei)組(zu)合(he)以生成(cheng)(cheng)RGB信號(hao)，而(er)(er)在(zai)三個(ge)(ge)或(huo)四個(ge)(ge)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)(ji)中(zhong)(zhong)，來自物體的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)被(bei)(bei)收集到一個(ge)(ge)棱(leng)鏡中(zhong)(zhong)，該棱(leng)鏡將RGB分量（和近紅外（NIR）在(zai)四芯片(pian)相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)(ji)中(zhong)(zhong)）用(yong)于(yu)單個(ge)(ge)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)的(de)(de)(de)(de)同時檢(jian)測。這種布(bu)置使用(yong)公(gong)共(gong)光(guang)(guang)路(lu)，使其更適合(he)對(dui)3D物體或(huo)隨機(ji)(ji)移(yi)動產(chan)品進行成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)，而(er)(er)不會出現空(kong)間位(wei)移(yi)問題，因(yin)為 R、G、B 和NIR像(xiang)(xiang)素(su)(su)對(dui)于(yu)任何給定的(de)(de)(de)(de)物體位(wei)置都是重(zhong)(zhong)合(he)的(de)(de)(de)(de)。與基于(yu)棱(leng)鏡的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)(ji)一起(qi)使用(yong)的(de)(de)(de)(de)鏡頭(tou)(tou)(tou)需要(yao)特殊的(de)(de)(de)(de)設(she)計來補償相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)(ji)內不同的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)路(lu)和聚焦(jiao)特性(xing)。為了避免棱(leng)鏡的(de)(de)(de)(de)機(ji)(ji)械損傷，透(tou)鏡的(de)(de)(de)(de)后(hou)凸也(ye)必須保(bao)(bao)持很低。

圖2. 線掃描

近紅外(NIR)成像

       近(jin)紅外(wai)(NIR)波(bo)(bo)(bo)段范圍從700nm延(yan)伸到1μm。傳(chuan)統的(de)CMOS傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)具有一(yi)(yi)定的(de)NIR靈敏度，而(er)在(zai)850nm以(yi)上具有增強靈敏度的(de)版(ban)本正變得(de)越來越普遍(bian)。NIR可以(yi)揭示(shi)水果(guo)、蔬菜(cai)、堅果(guo)和(he)肉類等(deng)食(shi)物(wu)中(zhong)的(de)腐(fu)爛、機(ji)械(xie)損傷和(he)蟲害等(deng)非表面特(te)(te)征。NIR照明還(huan)可以(yi)穿(chuan)透(tou)某些染料和(he)油墨，從而(er)可以(yi)通(tong)過印刷(shua)包(bao)裝檢查產(chan)品。在(zai)木材、紡(fang)織、紙張、玻璃、瓷磚和(he)電子工(gong)業中(zhong)也有應用，并用于檢查圓柱(zhu)形物(wu)品（如(ru)罐(guan)頭、瓶(ping)子、鋼筆等(deng)）甚至旋(xuan)轉物(wu)體(ti)上的(de)標簽。此外(wai)，將(jiang)脈沖NIR光(guang)(guang)(guang)源與(yu)NIR通(tong)濾光(guang)(guang)(guang)片結合使(shi)用可消除因環境光(guang)(guang)(guang)波(bo)(bo)(bo)動而(er)產(chan)生的(de)任何不良影響。如(ru)果(guo)同(tong)時對(dui)物(wu)體(ti)進行NIR和(he)彩色成(cheng)像(xiang)(xiang)很(hen)重要，則使(shi)用兩(liang)個(ge)(ge)單(dan)獨(du)(du)的(de)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)可能(neng)會在(zai)獲得(de)兩(liang)個(ge)(ge)圖像(xiang)(xiang)之間的(de)準確配(pei)準方面存在(zai)問題。多傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)棱(leng)鏡(jing)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)是一(yi)(yi)種(zhong)強大的(de)替代方案(an)。在(zai)這(zhe)(zhe)(zhe)里(li)，棱(leng)鏡(jing)將(jiang)來自樣(yang)品的(de)光(guang)(guang)(guang)分(fen)離成(cheng)可見(jian)光(guang)(guang)(guang)和(he)NIR波(bo)(bo)(bo)長通(tong)道，這(zhe)(zhe)(zhe)些通(tong)道配(pei)備了單(dan)獨(du)(du)的(de)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)，從而(er)為(wei)兩(liang)個(ge)(ge)圖像(xiang)(xiang)提供完全(quan)(quan)(quan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)同(tong)的(de)視(shi)野（圖 3）。與(yu)這(zhe)(zhe)(zhe)些相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)一(yi)(yi)起(qi)(qi)使(shi)用的(de)鏡(jing)頭必須(xu)(xu)與(yu)棱(leng)鏡(jing)的(de)光(guang)(guang)(guang)學(xue)特(te)(te)性很(hen)好(hao)地匹配(pei)。在(zai)這(zhe)(zhe)(zhe)里(li)，棱(leng)鏡(jing)將(jiang)來自樣(yang)品的(de)光(guang)(guang)(guang)分(fen)離成(cheng)可見(jian)光(guang)(guang)(guang)和(he)NIR波(bo)(bo)(bo)長通(tong)道，這(zhe)(zhe)(zhe)些通(tong)道配(pei)備了單(dan)獨(du)(du)的(de)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)，從而(er)為(wei)兩(liang)個(ge)(ge)圖像(xiang)(xiang)提供完全(quan)(quan)(quan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)同(tong)的(de)視(shi)野（圖 3）。與(yu)這(zhe)(zhe)(zhe)些相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)一(yi)(yi)起(qi)(qi)使(shi)用的(de)鏡(jing)頭必須(xu)(xu)與(yu)棱(leng)鏡(jing)的(de)光(guang)(guang)(guang)學(xue)特(te)(te)性很(hen)好(hao)地匹配(pei)。在(zai)這(zhe)(zhe)(zhe)里(li)，棱(leng)鏡(jing)將(jiang)來自樣(yang)品的(de)光(guang)(guang)(guang)分(fen)離成(cheng)可見(jian)光(guang)(guang)(guang)和(he)NIR波(bo)(bo)(bo)長通(tong)道，這(zhe)(zhe)(zhe)些通(tong)道配(pei)備了單(dan)獨(du)(du)的(de)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)，從而(er)為(wei)兩(liang)個(ge)(ge)圖像(xiang)(xiang)提供完全(quan)(quan)(quan)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)同(tong)的(de)視(shi)野（圖 3）。與(yu)這(zhe)(zhe)(zhe)些相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)一(yi)(yi)起(qi)(qi)使(shi)用的(de)鏡(jing)頭必須(xu)(xu)與(yu)棱(leng)鏡(jing)的(de)光(guang)(guang)(guang)學(xue)特(te)(te)性很(hen)好(hao)地匹配(pei)。

圖 3.雙通(tong)道(dao)彩色和 NIR 棱鏡相(xiang)機示意圖

短波紅外(SWIR)成像

圖 4.高(gao)光譜圖像中(zhong)的(de)紅色區域顯(xian)示彩色圖像中(zhong)不可見的(de)非(fei)表面瘀傷

長波紅外(LWIR)成像

       長波紅外(wai)(LWIR)波段范圍為(wei) 8-14 μm。具有(you)微測輻射(she)(she)熱計傳(chuan)感器(qi)的(de)(de)LWIR相機使用(yong)(yong)(yong)自然發(fa)射(she)(she)的(de)(de)輻射(she)(she)（熱成像）可實(shi)現高達250℃的(de)(de)高精度表面溫度分布測量。可以在(zai)遠距離、完全(quan)黑暗的(de)(de)環境中以及通過霧、灰(hui)塵、雨(yu)和(he)煙霧檢(jian)(jian)測到(dao)熱輻射(she)(she)。應用(yong)(yong)(yong)包括(kuo)監視(shi)、安全(quan)和(he)救援，最近還用(yong)(yong)(yong)于在(zai)Covid-19(一般指新(xin)型冠狀(zhuang)(zhuang)病毒(du)肺炎。新(xin)型冠狀(zhuang)(zhuang)病毒(du)肺炎Corona Virus Disease 2019，COVID-19，簡稱“新(xin)冠肺炎”)大流行期間對人體進行發(fa)燒篩查（圖(tu) 5）。工業(ye)應用(yong)(yong)(yong)包括(kuo)無損檢(jian)(jian)測和(he)過程檢(jian)(jian)測。LWIR光學(xue)器(qi)件通常由鍺或硫(liu)屬化物(wu)材料制成，例如Ge33As12Se55。硫(liu)屬化物(wu)具有(you)與鍺相似的(de)(de)光學(xue)和(he)機械性能，但(dan)折射(she)(she)率不同。

圖 5.人體溫度升(sheng)高的LWIR檢(jian)測

紫外成像

       紫(zi)外成像(xiang)系(xi)統提供比(bi)可(ke)見光更高的分辨率能力，能夠(gou)解析亞微米特征(zheng)。這對于(yu)(yu)檢(jian)測拋(pao)光或(huo)高度鏡(jing)面表面上(shang)的劃痕和缺陷以及(ji)印刷電路板、文件(jian)和信用卡等產品中非常小的表面細(xi)節特別(bie)有(you)用。由于(yu)(yu)玻(bo)璃會減弱(ruo)紫(zi)外線，石英透鏡(jing)可(ke)用于(yu)(yu) UV-A (320– 400nm)和UV-B(290-320nm) 照明(ming)，并且(qie)可(ke)以構建消(xiao)色差雙合(he)透鏡(jing)。

選擇鏡頭

       任何(he)機器視(shi)(shi)覺應用(yong)(yong)中使用(yong)(yong)的(de)(de)波長都對選(xuan)擇最合適的(de)(de)鏡頭具(ju)有重要意義，更廣泛(fan)的(de)(de)光(guang)(guang)譜(pu)范圍需(xu)要更復雜的(de)(de)鏡頭設計。但是，還(huan)必須考慮其(qi)他(ta)因(yin)素(su)，包括其(qi)他(ta)缺陷(xian)和像(xiang)差校(xiao)正(zheng)，以(yi)及使用(yong)(yong)鏡頭的(de)(de)物理環境。由于市場上有大量鏡頭可供選(xuan)擇，因(yin)此與可以(yi)對成像(xiang)要求采取整體方(fang)法的(de)(de)專業視(shi)(shi)覺技術供應商合作會很有幫(bang)助。可以(yi)肯定(ding)的(de)(de)是，很少(shao)有一(yi)家(jia)制造商可以(yi)為所有應用(yong)(yong)提(ti)供正(zheng)確的(de)(de)光(guang)(guang)學(xue)解決方(fang)案(an)，因(yin)此針(zhen)對性(xing)的(de)(de)獨特的(de)(de)建議是好的(de)(de)機器視(shi)(shi)覺系統的(de)(de)第一(yi)步。

        深圳市雙翌光電科技有限公司是一家以機器視覺為技術核心，自主技術研究與應用拓展為導向的高科技企業。公司自成立以來不斷創新，在智能自動化領域研發出視覺對位系統、機械手視覺定位、圖像處理庫等為核心的20多款自主知識產權產品。涉及自動貼合機、絲印機、曝光機、疊片機、貼片機、智能檢測、智能鐳射等眾多行業領域。雙翌視覺系統最高生產精度可達um級別，圖像處理精準、速度快，將智能自動化制造行業的生產水平提升到一個更高的層次，改進了以往落后的生產流程，得到廣大用戶的認可與肯定。隨著智能自動化生產的普及與發展，雙翌將為廣大生產行業帶來更全面、更精細、更智能化的技術及服務。