機器視覺中的光學

對于機器視覺系統(tǒng)，利用高性能的傳感器，光學必須滿足越來越具有挑戰(zhàn)性的要求。

在過去的十年成像系統(tǒng)的設計師們面臨著一系列新的挑戰(zhàn)。十年前的標準相機鏡頭的性能是足夠的，以獲得最佳的性能，可用的傳感器。傳感器的分辨率是二十到五十倍，比十年前可用，在許多情況下，像素已經得到了更小的，目前可用的傳感器提供高達九十倍以上的像素在一個給定的區(qū)域。對于機器視覺系統(tǒng)，利用高性能的傳感器，光學必須滿足越來越具有挑戰(zhàn)性的要求。今天的系統(tǒng)設計人員必須經常同軸最大的性能從他們的光學。但沒有“一刀切”的光學設計，保證最佳的性能，設計人員必須明智地確定他們的要求，以確保一個給定的光學將做的工作。在開始定義他們的系統(tǒng)要求之前，設計師需要認識到，即使是一個“完美”的設計的性能是有限的物理定律。

一個完美的透鏡將是一個從一個無限小的點，從一個空間的一個無限小的點，在圖像空間中的一個獨特的相應的無窮小點轉移光。但沒有透鏡將光線聚焦到一個任意小的點上。衍射的物理現(xiàn)象在圖像空間中的點周圍的光，通常在一個圓形的模式被稱為通風盤。由于在圖像空間中的點彼此靠近，磁盤重疊，直到在某一點上的兩個點是無法區(qū)分的。這一點，代表著兩個點的距離是怎樣的，仍然可以得到解決的物理距離，被稱為衍射極限。衍射極限是由工作的F / #的透鏡和波長控制（S）的光，通過透鏡通過。

物理定律使透鏡不能分辨比衍射極限小的細節(jié)。最深刻的影響是看到在包含較小的像素的傳感器。雖然較小的像素通常與較低的成本傳感器，這并不一定意味著一個較低的成本成像系統(tǒng)。為了達到他們所需的性能，在系統(tǒng)中的較小的像素傳感器，設計師被迫征收更嚴格的要求的鏡頭。

例如，考慮一個鏡頭產生衍射極限的10μM點。在傳感器與10μ萬像素點分布在不超過2x2像素。當一個2.2μ萬像素傳感器使用的鏡頭，每一件物體的細節(jié)將在大約5X5像素。雖然有許多像素的工作，斑點是傳播在許多像素，所以信息是有點模糊。通常一個鏡頭會有一些設計和制造缺陷，傳播的光，甚至更多，進一步降低圖像質量。

物理設計提供兩個選項改變衍射極限方程相關的理論最大能力的規(guī)律：第一是改變F / #的鏡頭，二是改變光的波長。

 

變化的F / #

在F / #變化引起的變化在系統(tǒng)性能。一般來說，改變f / #是通過調整虹膜鏡頭的設置。一個鏡頭的焦距，大光圈代表一個較小的F / #。關閉虹膜下小光圈f / #代表增加。一個小的F / #透鏡產生一個較小的通風盤，表明鏡頭可以在一個場景中的細節(jié)圖像。但其他性能參數(shù)也隨F / #。

可以看出。但是，這降低了領域的深度的能力，在不同的距離，從鏡頭中看到的對象信息。最大分辨率要求的F / #減少，同時增加景深要求F / #增加。從本質上說，它是不可能有非常高的分辨率，在一個大的領域。為了優(yōu)化分辨率和深度的領域，設計師需要作出妥協(xié)，或尋求更復雜的解決方案，如使用多個成像系統(tǒng)。

 

改變系統(tǒng)的波長

波長，或顏色，選擇用于照明可以對系統(tǒng)性能產生巨大的影響。一個高質量的成像系統(tǒng)的性能可以顯著改善，簡單地通過從寬帶到單色照明。這甚至可以從一個單色波長不同的單色光的波長轉換是真的說從紅色照明在680nm切換到藍色在480nm。正確的選擇照明顏色可以使高對比度和無對比度之間的差異，并可以決定一個系統(tǒng)的成功或失敗。

鏡頭通常聚焦在不同的顏色的光，在不同的距離，這往往使光斑尺寸較大。盡可能減少波長范圍將提高任何鏡頭的性能。如在衍射極限方程中所看到的，波長是影響光斑尺寸的變量之一。

現(xiàn)實世界的鏡頭和什么可以做，以最大限度地提高鏡頭的性能。

優(yōu)化的F / #和波長范圍將不提供完美的性能。所有的鏡頭都受到減少成像性能相關的整體質量，他們的設計和制造。但是，設計師可以得到最出他們的成像系統(tǒng)，通過實施一些最佳鏡頭設計的做法，提高性能。

在許多情況下，更高的分辨率的應用程序受益于更大的光學。了解一個系統(tǒng)的體積要求之前，是特別重要的系統(tǒng)，需要高分辨率和高倍率。小型消費相機是令人印象深刻的，但他們不接近的能力，甚至中級工業(yè)成像系統(tǒng)所需的部分，因為他們的規(guī)模限制。它通常是有利的，指定一個系統(tǒng)的視覺部分，因為它通常是更容易安排的視覺部分周圍的電子和機械，而不是其他方式。

不要靠得太近。由于物理的限制，嘗試一下相對于透鏡的工作距離過大是視場放置在光學部件的設計過分要求，并且可以降低系統(tǒng)的性能。所以建議的兩到四倍的所需視場的工作距離被使用，同時盡量減少成本最大化性能。

沒有通用的解決方案?？梢宰鋈魏问虑榈囊粋€單一的鏡頭不存在。競爭的要求需要平衡。隨著分辨率的增加，它變得越來越困難，以減少像差的不完善，不利影響性能。因為這個原 因，表面上類似的應用程序可能需要一個廣泛的鏡頭解決方案。

縮小所需的成像系統(tǒng)的具體參數(shù)，減少了廣泛的可用的鏡頭和傳感器到一個可管理的組件的選擇，增加了成功的可能性。一個系統(tǒng)指定越早，就越容易避免工程變更。