镜头在机械视觉系统天生的图像质量中起着至关沉要的作用,由于它们决定了相机传感器上图像的清澈度。镜头能够通过多种方式影响图像质量:
a)由于透镜表表反射而降低了光透射率;
b)球面像差、色差和缺点像差可阻止所有光线从物体上的单个点聚焦到图像上的单个点;
c)削减朝向图像边缘的光强度;
d)图像的空间失真。
通过选择相宜的镜头结构,能够将所有这些影响降到最低。
透镜传输光时,首先要思考的是所用光的波长,由于这对色差和光传输都有沉大影响。这在镜头设计中尤为沉要,由于越来越多地使用红表线和紫表线辐射作为可见光的代替品,以揭示正本无法看到的信息。固然宽带光辐射在某些利用(例如彩色成像)中必不成少,但使用单色照明能够实现与波长有关的最佳镜头机能,而与选择的波长无关。
通常来说,通过玻璃透镜的空气中约有4%的光会在每个界面处被反射,这意味着损失了8%的入射光。在镜片表表使用薄的抗反射涂层可削减这些反射并显著提高透光率?泶颇た捎糜诓噬上,但最好的传输来自使用单色光源和专为该特定波长设计的透镜镀膜。使用涂层波长领域之表的波长现实上会降低透射率。
当分歧波长的光通过空气-玻璃界面时,每个波长城市折射分歧的量。这种色散是一个可丈量的量,会导致镜头产生色差,镜头的边缘会吞吐物体的边缘,从而无法进行正确的机械视觉丈量。罕见百种拥有分歧色散个性的分歧光学玻璃类型可供选择,从而能够出产拥有各类玻璃元件以赔偿色差效应的消色差透镜,如下图所示。使用单色光源时只必要更单一的镜头设计,由于没有色差。
成像方式
1.线扫描成像
线扫描成像用于查抄传送带上的陆续资料和成像对象,尤其是在对象长度分歧的情况下。如下图所示,当物体从下方通过期,通过高速扫描相机的线传感器,一次天生一条图像。
与区域扫描成像相比,由此产生的较短像素曝光功夫使得镜头透射率成为传感器获得充足光线的沉要成分。传感器可提供高达16K像素的分辨率,5×5?m像素单色线传感器的长度超过80mm。因而,必须使用大画幅镜头来确保对整个线阵列长度的照明,而不会在光束被反对(通常被镜头座反对)的处所产朝气械渐晕,从而导致图像边缘出现阴影。
抗反射镜片涂层对于最大化光通量至关沉要。然而,彩色线扫描成像利用400-700nm的整个可见光谱,因而必要拥有较宽的抗反射涂层的消色差透韭反解除色差并提高透射率。
在单芯片相机中,传感器上两个或三个相邻线的输出被组合以天生RGB信号,而在三个或四个传感器相机中,来自物体的光被网络到一个棱镜中,该棱镜将RGB分量(和近红表(NIR)在四芯片相机中)用于单个传感器的同时检测。这种安插使用公共光路,使其更适合对3D物体或随机移动产品进行成像,而不会出现空间位移问题,由于R、G、B和NIR像素对于任何给定的物体地位都是沉合的。与基于棱镜的相机一路使用的镜头必要特殊的设计来赔偿相机内分歧的光路和聚焦个性。为了预防棱镜的机械危险,透镜的后凸也必须维持很低。
2.近红表(NIR)成像
近红表(NIR)波段领域从700nm延长到1μm。传统的CMOS传感器拥有肯定的NIR活络度,而在850nm以上拥有加强活络度的版本正变得越来越普遍。NIR能够揭示水果、蔬菜、坚果和肉类等食品中的腐臭、机械危险和虫害等非表表特点。NIR照明还能够穿透某些染料和油墨,从而能够通过印刷包装查抄产品。在木材、纺织、纸张、玻璃、瓷砖和电子工业中也有利用,并用于查抄圆柱形物品(如罐头、瓶子、钢笔等)甚至旋转物体上的标签。
此表,将脉冲NIR光源与NIR通滤光片结合使用可解除因环境光颠簸而产生的任何不良影响。若是同时对物体进行NIR和彩色成像很沉要,则使用两个单独的相机可能会在获得两个图像之间的正确配准方面存在问题。多传感器棱镜相机是一种壮大的代替规划。在这里,棱镜未来自样品的光分离成可见光和NIR波长通路,这些通路建设了单独的传感器,从而为两个图像提供齐全一样的视野,如下图所示。与这些相机一路使用的镜头必须与棱镜的光学个性很好地匹配。
3.短波红表(SWIR)成像
短波红表(SWIR)的领域约为1-5?m,很多相机经过优化能够在0.9-1.7?m领域内工作。这些相机必要特殊的探测器,如砷化铟镓或碲化汞镉。
SWIR相机产生的单色图像的分辨率和细节与可见光类似,但在该波段中可用于镜头的商用光学玻璃较少。这些玻璃通常提供随着波长增长而进一步降低的低色散,因而可能必要一些更昂贵的高色散特种玻璃元件来出产消色差透镜。结晶红表资料,例如硒化锌和氟化钙,拥有高色散机能,但这些资料的机械强度远低于玻璃,并且价值也更高,因而,大无数SWIR镜头持续由拥有抗反射涂层的玻璃造成。
水在SWIR区域强烈吸收光,导致农业和农业中的大量水分散布检测利用以及查抄瓶中水性液体的填充水平。硅对SWIR辐射的通明性使得可能检测非表表半导体和太阳能电池,蕴含检测半导体晶锭中的杂质和多晶资猜中的裂缝,而在回收过程中,能够分辨塑料资料。有机资料和塑料凭据其成分选择性吸收SWIR波长而产生的怪异“指纹”可使高光谱成像成为它们的唯一鉴别。这将红表光谱与机械视觉相结合,天生凭据被成像物体的化学成分进行色彩编码的图像,如下图所示。SWIR成像还能够丈量250℃和800℃之间的温度,使其可用于在造作和焊接利用的早期查抄热玻璃资料。
4.长波红表(LWIR)成像
长波红表(LWIR)波段领域为8-14μm。拥有微测辐射热计传感器的LWIR相机使用天然发射的辐射(热成像)可实现高达250℃的高精度表表温度散布丈量D芄辉谠毒嗬搿⑵肴跤舻幕肪持幸约巴ü怼⒊景!⒂旰脱涛砑觳獾饺确。利用蕴含监督、安全、接济、无损检测和过程检测。LWIR光学器件通常由锗或硫属化物资料造成,例如Ge33As12Se55。硫属化物拥有与锗类似的光学和机械机能,但折射率分歧。
5.紫表成像
紫表成像系统提供比可见光更高的分辨率能力,可能解析亚微米特点。这对于检测抛光或高度镜面表表上的划痕和缺点以及印刷电路板、文件和信誉卡等产品中极度幼的表表细节出格有效。由于玻璃会减弱紫表线,石英透镜可用于UV-A(320–400nm)和UV-B(290-320nm)照明,并且能够构建消色差双合透镜。
选择镜头
任何机械视觉利用中使用的波长都对选择最相宜的镜头拥有沉要意思,更宽泛的光谱领域必要更复杂的镜头设计。但是,还必须思考其他成分,蕴含其他缺点和像差校对,以及使用镜头的物理环境。

