今天主要來說一說機器視覺鏡頭選擇和不同波長的成像應用。不同波長的光在使用同一個鏡頭的時候會產生不同的效果，這跟鏡頭的透光率和色差等有關。而不同波長的波段范圍成像主要應用也不太一樣，這在實際項目應用中具有重要參考意義，比如現在新冠肺炎疫情體溫檢測中應用非常廣的長波紅外(LWIR)成像，用于非接觸式溫度測量。

鏡頭

       鏡頭在機器視覺系統生成的圖像質量中起著至關重要的作用，因為它們決定了相機傳感器上圖像的清晰度。

鏡頭可以通過多種方式影響圖像質量：

1、由于透鏡表面反射而降低了光透射率

2、球面像差、色差和缺陷像差可阻止所有光線從物體上的單個點聚焦到圖像上的單個點

3、減少朝向圖像邊緣的光強度

4、圖像的空間失真

       通過選擇合適的鏡頭結構，可以將所有這些影響降到最低。外星眼為您重點介紹了在為您的特定需求選擇鏡頭時的一些注意點，包括波長、透光率、色差等。

波長

       透鏡傳輸光時，首先要考慮的是所用光的波長，因為這對色差和光傳輸都有重大影響。這在鏡頭設計中尤為重要，因為越來越多地使用紅外線和紫外線輻射作為可見光的替代品，以揭示原本無法看到的信息。雖然寬帶光輻射在某些應用（例如彩色成像）中必不可少，但使用單色照明可以實現與波長相關的最佳鏡頭性能，而與選擇的波長無關。

透光率

       一般來說，通過玻璃透鏡的空氣中約有4%的光會在每個界面處被反射，這意味著損失了8%的入射光。在鏡片表面使用薄的抗反射涂層可減少這些反射并顯著提高透光率。寬帶鍍膜可用于彩色成像，但最好的傳輸來自使用單色光源和專為該特定波長設計的透鏡鍍膜。使用涂層波長范圍之外的波長實際上會降低透射率。

色差

       當不同波長的光通過空氣-玻璃界面時，每個波長都會折射不同的量。這種色散是一個可測量的量，會導致鏡頭產生色差，鏡頭的邊緣會模糊物體的邊緣，從而無法進行準確的機器視覺測量。有數百種具有不同色散特性的不同光學玻璃類型可供選擇，從而可以生產具有各種玻璃元件以補償色差效應的消色差透鏡（圖 1）。使用單色光源時只需要更簡單的鏡頭設計，因為沒有色差。

圖1. 色差校正

不同波段范圍成像主要應用

線掃描成像

       線掃描成像用于檢查傳送帶上的連續材料和成像對象，尤其是在對象長度不同的情況下。線掃描（圖2），當物體從下方通過時，通過高速掃描相機的線傳感器，一次生成一條圖像。與區域掃描成像相比，由此產生的較短像素曝光時間使得鏡頭透射率成為傳感器獲得充足光線的重要因素。傳感器可提供高達16K像素的分辨率，5 x 5 μm 像素單色線傳感器的長度超過80毫米。因此，必須使用大畫幅鏡頭來確保對整個線陣列長度的照明，而不會在光束被阻擋（通常被鏡頭座阻擋）的地方產生機械漸暈，從而導致圖像邊緣出現陰影。抗反射鏡片涂層對于最大化光通量至關重要。然而，彩色線掃描成像利用400-700nm的整個可見光譜，因此需要具有較寬的抗反射涂層的消色差透鏡來消除色差并提高透射率。在單芯片相機中，傳感器上兩個或三個相鄰線的輸出被組合以生成RGB信號，而在三個或四個傳感器相機中，來自物體的光被收集到一個棱鏡中，該棱鏡將RGB分量（和近紅外（NIR）在四芯片相機中）用于單個傳感器的同時檢測。這種布置使用公共光路，使其更適合對3D物體或隨機移動產品進行成像，而不會出現空間位移問題，因為 R、G、B 和NIR像素對于任何給定的物體位置都是重合的。與基于棱鏡的相機一起使用的鏡頭需要特殊的設計來補償相機內不同的光路和聚焦特性。為了避免棱鏡的機械損傷，透鏡的后凸也必須保持很低。

圖2. 線掃描

近紅外(NIR)成像

       近紅外(NIR)波段范圍從700nm延伸到1μm。傳統的CMOS傳感器具有一定的NIR靈敏度，而在850nm以上具有增強靈敏度的版本正變得越來越普遍。NIR可以揭示水果、蔬菜、堅果和肉類等食物中的腐爛、機械損傷和蟲害等非表面特征。NIR照明還可以穿透某些染料和油墨，從而可以通過印刷包裝檢查產品。在木材、紡織、紙張、玻璃、瓷磚和電子工業中也有應用，并用于檢查圓柱形物品（如罐頭、瓶子、鋼筆等）甚至旋轉物體上的標簽。此外，將脈沖NIR光源與NIR通濾光片結合使用可消除因環境光波動而產生的任何不良影響。如果同時對物體進行NIR和彩色成像很重要，則使用兩個單獨的相機可能會在獲得兩個圖像之間的準確配準方面存在問題。多傳感器棱鏡相機是一種強大的替代方案。在這里，棱鏡將來自樣品的光分離成可見光和NIR波長通道，這些通道配備了單獨的傳感器，從而為兩個圖像提供完全相同的視野（圖 3）。與這些相機一起使用的鏡頭必須與棱鏡的光學特性很好地匹配。在這里，棱鏡將來自樣品的光分離成可見光和NIR波長通道，這些通道配備了單獨的傳感器，從而為兩個圖像提供完全相同的視野（圖 3）。與這些相機一起使用的鏡頭必須與棱鏡的光學特性很好地匹配。在這里，棱鏡將來自樣品的光分離成可見光和NIR波長通道，這些通道配備了單獨的傳感器，從而為兩個圖像提供完全相同的視野（圖 3）。與這些相機一起使用的鏡頭必須與棱鏡的光學特性很好地匹配。

圖 3.雙通道彩色和 NIR 棱鏡相機示意圖

短波紅外(SWIR)成像

圖 4.高光譜圖像中的紅色區域顯示彩色圖像中不可見的非表面瘀傷

長波紅外(LWIR)成像

       長波紅外(LWIR)波段范圍為 8-14 μm。具有微測輻射熱計傳感器的LWIR相機使用自然發射的輻射（熱成像）可實現高達250℃的高精度表面溫度分布測量。可以在遠距離、完全黑暗的環境中以及通過霧、灰塵、雨和煙霧檢測到熱輻射。應用包括監視、安全和救援，最近還用于在Covid-19(一般指新型冠狀病毒肺炎。新型冠狀病毒肺炎Corona Virus Disease 2019，COVID-19，簡稱“新冠肺炎”)大流行期間對人體進行發燒篩查（圖 5）。工業應用包括無損檢測和過程檢測。LWIR光學器件通常由鍺或硫屬化物材料制成，例如Ge33As12Se55。硫屬化物具有與鍺相似的光學和機械性能，但折射率不同。

圖 5.人體溫度升高的LWIR檢測

紫外成像

       紫外成像系統提供比可見光更高的分辨率能力，能夠解析亞微米特征。這對于檢測拋光或高度鏡面表面上的劃痕和缺陷以及印刷電路板、文件和信用卡等產品中非常小的表面細節特別有用。由于玻璃會減弱紫外線，石英透鏡可用于 UV-A (320– 400nm)和UV-B(290-320nm) 照明，并且可以構建消色差雙合透鏡。

選擇鏡頭

       任何機器視覺應用中使用的波長都對選擇最合適的鏡頭具有重要意義，更廣泛的光譜范圍需要更復雜的鏡頭設計。但是，還必須考慮其他因素，包括其他缺陷和像差校正，以及使用鏡頭的物理環境。由于市場上有大量鏡頭可供選擇，因此與可以對成像要求采取整體方法的專業視覺技術供應商合作會很有幫助。可以肯定的是，很少有一家制造商可以為所有應用提供正確的光學解決方案，因此針對性的獨特的建議是好的機器視覺系統的第一步。

        深圳市雙翌光電科技有限公司是一家以機器視覺為技術核心，自主技術研究與應用拓展為導向的高科技企業。公司自成立以來不斷創新，在智能自動化領域研發出視覺對位系統、機械手視覺定位、圖像處理庫等為核心的20多款自主知識產權產品。涉及自動貼合機、絲印機、曝光機、疊片機、貼片機、智能檢測、智能鐳射等眾多行業領域。雙翌視覺系統最高生產精度可達um級別，圖像處理精準、速度快，將智能自動化制造行業的生產水平提升到一個更高的層次，改進了以往落后的生產流程，得到廣大用戶的認可與肯定。隨著智能自動化生產的普及與發展，雙翌將為廣大生產行業帶來更全面、更精細、更智能化的技術及服務。