機器視覺光學：不止一個鏡頭

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 一個機器視覺鏡頭由包含在一個機械盒子裡的許多片鏡片組成，人眼看它們通常是透明的。它不像相機那樣是展覽的明星，鏡頭就是一個不起眼的，內向的，好比狗的尾巴。

        Edmund Optics的產品線經理Nicholas James解釋說：「關鍵是你真的需要在選擇相機的同時選擇鏡頭。你可能認為你想要一個你能購買的最高分辨率相機，但是沒有一個性價比高的鏡頭去搭配，你可能在高分辨率相機上浪費錢。」

我的傳感器比你的大

     當一個圖像處理外行使用百兆像素和傳感器空間分辨率去描述相機的相關競爭力性能時，視覺工程師認識到對於一千六百萬像素的傳感器來說，如果對整個光學鏈的光學傳遞函數OTF不支持該傳感器像素尺寸通過整個傳感器的寬度和高度，那麼它就是沒用的。OTF包括從光子的產生到它被傳感器吸收的所有過程，包括光源的光譜，被測物體反射的和吸收的光譜，光圈大小，單個和結合的光學元素，還有傳感器本身。

     另一個為機器視覺系統選擇光學的方法就是提問：這個應用的像素是否受限？百萬像素當中有多少是在傳感器上。傳感器有不同的大小，常見的從1/2英寸、2/3英寸到新的1英寸。用傳感器的實際面積除以數百萬的單個像素，然後你就得到了單個像素的大致尺寸。像素受限意味著：你想讓你的鏡頭能夠測量從一個像素的黑白到下一個像素的黑白變化嗎？常見的工業相機中只有很少的百萬像素或少於1/2英寸，或2/3英寸。傳感器大小通常在6um到7 um范圍。找到能達到MTF的鏡頭，MTF這樣定義為每釐米有多少線對能被給定鏡頭吸收，能足夠高地吸收來自6微米像素的變化是不難得。但是，購買一個基於一千萬像素，1/2英寸的CMOS傳感器，你需要一個能將光線聚焦於小於2微米的像素，而且整個圖像不模糊的鏡頭。那麼這個是不容易的，而且也是不便宜的。

James解釋說：「一個一千萬像素的CMOS傳感器價格低於一千美元，但是如果你想讓受限像素通過整個傳感器將會貴很多。」

光暈和衰減的好壞

    當談到機器視覺鏡頭時，像素大小和整個傳感器並不是僅有重要的尺寸。這裡還要考慮傳感器的入射光角度。光暈就是常見條件下傳感器邊緣的像素比傳感器中心的像素更暗。一個像素到另一個像素不會有什麼反應，但所有的就會增加一個光子在隨州入射角增加而反彈的可能性。就如同當把石頭平行於水面扔出去時，石頭會跳躍一樣，光子會在光軸入射角增加時反彈於像素表面。

     Navitar的高級光學工程師Steve Gum解釋說：「大多數相機鏡頭都會呈現不同程度的光暈。許多設計者使用光暈的優點來減少其它光學畸變。人眼通過鏡頭看不會注意到光暈是因為它工作在對數比例上。但是一個傳感器是工作在線性比例，而且在傳感器邊緣上的亮度和對比度降低是容易引起注意的，而且對沒有像人眼那樣校正功能的機器視覺系統來講是有問題的。」

      Gum繼續說：「兩個遠心鏡頭，在不改變反射角度的情況下分別從兩個方向傳遞光線就能解決這個問題，這就是我們推薦給我們的大多數機器視覺客戶的。它更昂貴而且更慢，但是有時它是必需的。」光學制造商能設計具有更大優點的鏡頭，能在傳感器邊緣減少光線的反射，但是這也增加了鏡頭的成本。Gum補充說：「Kodak在他們的傳感器邊緣調整小棱鏡的角度來更好地收集來自光軸的光線。這些傳感器與Exit Pupil定位規范一起能讓你計數出一個給定傳感器的可接受角度，但是有時候通過這個方法規范就要被拋棄。」

涂層、顏色和線陣掃描

     在鏡頭設計中將抗反射涂層應用到每個元素也能克服整體光線損失。隨著傳感器尺寸的增大而單個像素尺寸降低，就更需要鏡頭制造商開發能實現受限像素穿過更大區域的鏡頭。對於低分辨率或更常見的機器視覺鏡頭來講，典型地需要具有8或10個元素而不是4或5個元素。

Edmund Optics的James解釋說：「如果你在一個光學鏈的五個元素中具有其中的四個，那麼讓每個反射光線的1~2%就不是巨大的理想。但是如果有9個或10個元素，損失20%是十分嚴重的。因此在更高分辨率上，涂層在減少損失上起著重要的作用，相機收集足夠光線所需的曝光時間越長，機器視覺算法做它們的工作就更有效率。」

    對於高分辨率彩色機器視覺系統來講顏色失真是另一個設計問題。不同波長的光線在穿過鏡頭時在不同角度下會有不同的折射。將導致在整個圖像中產生模糊或錯誤圖像。在高分辨率彩色成像很關鍵的地方，液晶面板工業就是一個應用。幸運地是，液晶面板在控制環境中是被檢測的，允許視覺設計者使用單色或激光，這些排除了不同波長光通過相同鏡頭引起的空間移動。最後，線掃描相機在web，印刷和液晶面板檢測中繼續獲得市場份額，因為它們對大區域成像提供了性價比的方法，而且仍然保持高的空間分辨率去找到非常小的缺陷。對於光學工程師來說，60mm線陣相機與60mm寬的面陣傳感器一樣，面臨一個問題：要注意傳感器與鏡頭的不重合導致的小問題。James解釋說：「在鏡頭後線陣掃描傳感器之間90mm的距離維持微米級的一致是很難做到的，但是如果你不做，你就會遇到分辨率和對比度問題。

    當提到使用兩個傳感器陣列捕獲可見和紅外光的最新一代線陣相機時，James說這個問題仍然存在。「正如確認你有對於兩種波長都優化的光學材料。你會經常看到針對一種顏色優化，或針對另一個並不是可見和紅外的優化。」

     就像他們幫助建造汽車一樣，機器視覺客戶能選擇一種具有完美顏色響應通過具有高MTF和大面積的大光譜的鏡頭，但是如果你願意支付額外的錢。但是成本不是僅有的考慮因素。大多數機器視覺設計者都會犯一個錯誤，就是直到設計的最後才權衡鏡頭選擇。常見的鏡頭需要花時間去設計和制造。因此如果一個系統需要特別的鏡頭、光圈，新的玻璃材料，或你考慮到短波紅外：千萬不要直到最後的時刻才讓你的光學工程師出現！

       James推斷說：「如果你有足夠的資源，你就能設計解決大多數問題的鏡頭，但是大多數機器視覺應用需要在預算范圍內工作。客戶不得不在許多不同東西上權衡，包括整體系統性能需求，光源，相機，鏡頭，景深，足跡，還有其他因素要一起工作。最好的方案是一起選擇光學訓練元素，你能在最好的價格和避免任何最後時刻驚奇上做最好的選擇。」