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机器视觉光学和照明领域的大部分创新，而这种创新往往必须并行推进。传感器的选择高度依赖于所涉及的终端应用，通常照明也是如此。然而，对于光学来说，传感器和照明通常是“需要考虑的应用”。即使眼睛最敏锐的传感器也无法发挥其潜力，除非晶状体将光线正确均匀地分布在其活动区域。光学供应商面临的挑战是，机器视觉应用的发展如此之快，很难跟上步伐。

“作为传感器和照明技术的新应用需求如此巨大。光学供应商的问题已成为'哪些镜头设计需要优化，以便与下游正在进行的事情？“”Edmund Optics的成像业务部队副总裁Greg凹陷说。

光学设计蓝调
例如，安装在无人机上的遥感单元可能更喜欢分辨率更高的更大尺寸传感器，因为将更多像素打包到更大的阵列中，使无人机能够在有限的飞行时间内收集尽可能多的图像数据。如果您是传感器制造商，这种应用需求很容易直观地了解，因此可以预期。因此，积极投资于大尺寸传感器的开发是合理的。对于光学制造商来说，这个选择并不是那么简单，他们无法在不考虑许多其他变量的情况下设计更大的镜头。

许多系统将镜头组件和滤镜组合在一起，对于如今通常与无人机相关的宽视场应用来说，这可能会变得复杂。

“过去，申请需求要求较低。由于系统更加原谅，光学设计师并不总是需要考虑过滤器所看到的效果。现在，这些非常宽的角度会导致滤光器通过滤光片以跨越视野时朝向频谱的蓝色部分（蓝色移位），“凹陷在我们的假设遥感应用方面解释了。然而，“今天，您需要设计一个带有滤镜的镜头，以便在线通过以广角的光线偏光力最小化蓝光。它可以使事情更加困难，因为它删除了过去可用的一些现成的即插即用选项。“

当设计更大的格式时，复杂性并不会停止。CMOS图像传感器的叠加可以提高图像捕捉的速度，但它也存在与遥感应用类似的设计问题。Moritex的总裁Jason Baechler说:“CMOS成像板的叠加正在创造更深的井，需要更多的窄入射角成像侧透镜设计。”“与大于三分之二英寸的CCD传感器兼容的镜头可能无法与相同尺寸的CMOS传感器兼容。它们可能具有相同的分辨率，但[CMOS图像捕捉]将在对比度和均匀性方面受到影响。场的中心会显得更亮，而强度在角落下降。所以整体的一致性很差。”

与传感器相比，透镜组件不太可能成为商用现货产品，因此设计和生产成本较高。这也给专注于上市时间的相机制造商和集成商带来了潜在的瓶颈。

Hollows说:“在过去，世界上可能有三个人拥有两台机器，可以在特定的情况下制作光学仪器。”“而且它们是由工程师操作的，而不是技术人员，所以成本太高。更先进的是，它现在只是价格昂贵，而不是令人望而却步。人们知道如何做困难的事情，但它变成了如何做它的成本效益。例如，设计过滤器与光学元件可以让你设计得更小、更好、更便宜。”

揭示光明
这种对更整体的设计方法的呼吁延伸到照明组件。理想情况下，照明和成像光学应该设计成一个系统，以确保最佳光线被透镜收集，而次最佳光线不会。落在镜头视野之外的光线会造成眩光并降低图像对比度。将灯光和光学元素设计在一起，可以更容易地达到最佳效果。它还可以最小化成本并缩短上市时间。

成像系统光源的波长范围也影响镜头选择，以及整体系统性能。图像对比度通常可以通过缩小到几纳米的范围来提高。使用具有宽带光源的过滤器可以提供帮助，但这并不总是作为选择窄带光源的柔性解决方案。对于一个，镜片在不同距离下聚焦不同波长，因此使用窄带光源实际上可以有助于镜头性能。此外，可以实现哪些过滤器取决于光源。他们自己，他们没有提高对比。

Baechler说:“例如，如果标签上的墨水吸收了近红外光，那么即使近红外光被相机过滤掉了，标签仍然会显示为空白。”“这使得寻找特定波段的光源并在其周围设计光学元件变得越来越重要。”

利用光源的波长可以在机器视觉中实现很大的成就。使用窄带光源，如LED，最大限度地减少镜头设计需要纠正的内容，并引入有趣的新选项，以增加图像中的对比度。特定材料吸收或反射特定波长的方式也可以突出宽带光下不可见的缺陷。

可见范围内的每一种颜色都有一种相反的颜色，可以用来提高图像的对比度。例如，用绿光照亮一个绿色的特征，会使它在图像传感器上显得更亮，而用红光——绿色的相反——会使它显得更暗。

然而，提高图像对比度不依赖于窄带光源。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散射表面特征。或者，如果紫外线被吸收，则它们倾向于在表面上被吸收。在任何一种情况下，使用气体放电管或UV LED对图像如何与材料相互作用，可以帮助检测污染物或浅刻划痕，这在频谱上的其他地方是不可见的。这在检查可见光谱中看起来透明的玻璃显示器，镜片和其他材料时提供了明显的好处。

电磁波谱的另一端也有类似的好处，短波红外(SWIR)光源和传感器可以产生高对比度的图像，这是可见光很难或不可能产生的。水在1450纳米的SWIR中吸收非常强烈，这使得水分在InGaAs相机图像中呈现黑色。这为检查农产品擦伤或测量作物或幼苗的水分含量引入了新的选项。SWIR还能穿透薄塑料壁，通过不透明的容器可以自动测量液位。