機(jī)器視覺(jué)中的光學(xué)

對(duì)于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，利用高性能的傳感器，光學(xué)必須滿(mǎn)足越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性的要求。

在過(guò)去的十年成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師們面臨著一系列新的挑戰(zhàn)。十年前的標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)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(jīng)得到了更小的，目前可用的傳感器提供高達(dá)九十倍以上的像素在一個(gè)給定的區(qū)域。對(duì)于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，利用高性能的傳感器，光學(xué)必須滿(mǎn)足越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性的要求。今天的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須經(jīng)常同軸最大的性能從他們的光學(xué)。但沒(méi)有“一刀切”的光學(xué)設(shè)計(jì)，保證最佳的性能，設(shè)計(jì)人員必須明智地確定他們的要求，以確保一個(gè)給定的光學(xué)將做的工作。在開(kāi)始定義他們的系統(tǒng)要求之前，設(shè)計(jì)師需要認(rèn)識(shí)到，即使是一個(gè)“完美”的設(shè)計(jì)的性能是有限的物理定律。

一個(gè)完美的透鏡將是一個(gè)從一個(gè)無(wú)限小的點(diǎn)，從一個(gè)空間的一個(gè)無(wú)限小的點(diǎn)，在圖像空間中的一個(gè)獨(dú)特的相應(yīng)的無(wú)窮小點(diǎn)轉(zhuǎn)移光。但沒(méi)有透鏡將光線聚焦到一個(gè)任意小的點(diǎn)上。衍射的物理現(xiàn)象在圖像空間中的點(diǎn)周?chē)墓猓ǔＴ谝粋€(gè)圓形的模式被稱(chēng)為通風(fēng)盤(pán)。由于在圖像空間中的點(diǎn)彼此靠近，磁盤(pán)重疊，直到在某一點(diǎn)上的兩個(gè)點(diǎn)是無(wú)法區(qū)分的。這一點(diǎn)，代表著兩個(gè)點(diǎn)的距離是怎樣的，仍然可以得到解決的物理距離，被稱(chēng)為衍射極限。衍射極限是由工作的F / #的透鏡和波長(zhǎng)控制（S）的光，通過(guò)透鏡通過(guò)。

物理定律使透鏡不能分辨比衍射極限小的細(xì)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(gè)較低的成本成像系統(tǒng)。為了達(dá)到他們所需的性能，在系統(tǒng)中的較小的像素傳感器，設(shè)計(jì)師被迫征收更嚴(yán)格的要求的鏡頭。

例如，考慮一個(gè)鏡頭產(chǎn)生衍射極限的10μM點(diǎn)。在傳感器與10μ萬(wàn)像素點(diǎn)分布在不超過(guò)2x2像素。當(dāng)一個(gè)2.2μ萬(wàn)像素傳感器使用的鏡頭，每一件物體的細(xì)節(jié)將在大約5X5像素。雖然有許多像素的工作，斑點(diǎn)是傳播在許多像素，所以信息是有點(diǎn)模糊。通常一個(gè)鏡頭會(huì)有一些設(shè)計(jì)和制造缺陷，傳播的光，甚至更多，進(jìn)一步降低圖像質(zhì)量。

物理設(shè)計(jì)提供兩個(gè)選項(xiàng)改變衍射極限方程相關(guān)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(zhǎng)。

 

變化的F / #

在F / #變化引起的變化在系統(tǒng)性能。一般來(lái)說(shuō)，改變f / #是通過(guò)調(diào)整虹膜鏡頭的設(shè)置。一個(gè)鏡頭的焦距，大光圈代表一個(gè)較小的F / #。關(guān)閉虹膜下小光圈f / #代表增加。一個(gè)小的F / #透鏡產(chǎn)生一個(gè)較小的通風(fēng)盤(pán)，表明鏡頭可以在一個(gè)場(chǎng)景中的細(xì)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(lǐng)域的深度的能力，在不同的距離，從鏡頭中看到的對(duì)象信息。最大分辨率要求的F / #減少，同時(shí)增加景深要求F / #增加。從本質(zhì)上說(shuō)，它是不可能有非常高的分辨率，在一個(gè)大的領(lǐng)域。為了優(yōu)化分辨率和深度的領(lǐng)域，設(shè)計(jì)師需要作出妥協(xié)，或?qū)で蟾鼜?fù)雜的解決方案，如使用多個(gè)成像系統(tǒng)。

 

改變系統(tǒng)的波長(zhǎng)

波長(zhǎng)，或顏色，選擇用于照明可以對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生巨大的影響。一個(gè)高質(zhì)量的成像系統(tǒng)的性能可以顯著改善，簡(jiǎn)單地通過(guò)從寬帶到單色照明。這甚至可以從一個(gè)單色波長(zhǎng)不同的單色光的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換是真的說(shuō)從紅色照明在680nm切換到藍(lán)色在480nm。正確的選擇照明顏色可以使高對(duì)比度和無(wú)對(duì)比度之間的差異，并可以決定一個(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)是影響光斑尺寸的變量之一。

現(xiàn)實(shí)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(zhǎng)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(guān)的整體質(zhì)量，他們的設(shè)計(jì)和制造。但是，設(shè)計(jì)師可以得到最出他們的成像系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)施一些最佳鏡頭設(shè)計(jì)的做法，提高性能。

在許多情況下，更高的分辨率的應(yīng)用程序受益于更大的光學(xué)。了解一個(gè)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(fèi)相機(jī)是令人印象深刻的，但他們不接近的能力，甚至中級(jí)工業(yè)成像系統(tǒng)所需的部分，因?yàn)樗麄兊囊?guī)模限制。它通常是有利的，指定一個(gè)系統(tǒng)的視覺(jué)部分，因?yàn)樗ǔＪ歉菀装才诺囊曈X(jué)部分周?chē)碾娮雍蜋C(jī)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(duì)于透鏡的工作距離過(guò)大是視場(chǎng)放置在光學(xué)部件的設(shè)計(jì)過(guò)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(chǎng)的工作距離被使用，同時(shí)盡量減少成本最大化性能。

沒(méi)有通用的解決方案。可以做任何事情的一個(gè)單一的鏡頭不存在。競(jìng)爭(zhēng)的要求需要平衡。隨著分辨率的增加，它變得越來(lái)越困難，以減少像差的不完善，不利影響性能。因?yàn)檫@個(gè)原 因，表面上類(lèi)似的應(yīng)用程序可能需要一個(gè)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(gè)可管理的組件的選擇，增加了成功的可能性。一個(gè)系統(tǒng)指定越早，就越容易避免工程變更。