机器视觉中的光学

对于机器视觉系统 ，利用高性能的传感器 ，光学必须满足越来越具有挑战性的要求 。

在过去的十年成像系统的设计师们面临着一系列新的挑战 。十年前的标准相机镜头的性能是足够的 ，以获得最佳的性能 ，可用的传感器。传感器的分辨率是二十到五十倍 ，比十年前可用 ，在许多情况下 ，像素已经得到了更小的 ，目前可用的传感器提供高达九十倍以上的像素在一个给定的区域。对于机器视觉系统 ，利用高性能的传感器 ，光学必须满足越来越具有挑战性的要求 。今天的系统设计人员必须经常同轴最大的性能从他们的光学 。但没有“一刀切”的光学设计 ，保证最佳的性能 ，设计人员必须明智地确定他们的要求 ，以确保一个给定的光学将做的工作 。在开始定义他们的系统要求之前 ，设计师需要认识到 ，即使是一个“完美”的设计的性能是有限的物理定律 。

一个完美的透镜将是一个从一个无限小的点 ，从一个空间的一个无限小的点 ，在图像空间中的一个独特的相应的无穷小点转移光 。但没有透镜将光线聚焦到一个任意小的点上 。衍射的物理现象在图像空间中的点周围的光 ，通常在一个圆形的模式被称为通风盘 。由于在图像空间中的点彼此靠近 ，磁盘重叠 ，直到在某一点上的两个点是无法区分的 。这一点，代表着两个点的距离是怎样的 ，仍然可以得到解决的物理距离 ，被称为衍射极限 。衍射极限是由工作的F / #的透镜和波长控制（S）的光 ，通过透镜通过 。

物理定律使透镜不能分辨比衍射极限小的细节 。最深刻的影响是看到在包含较小的像素的传感器 。虽然较小的像素通常与较低的成本传感器 ，这并不一定意味着一个较低的成本成像系统。为了达到他们所需的性能 ，在系统中的较小的像素传感器 ，设计师被迫征收更严格的要求的镜头 。

例如 ，考虑一个镜头产生衍射极限的10µM点 。在传感器与10µ万像素点分布在不超过2x2像素 。当一个2.2µ万像素传感器使用的镜头 ，每一件物体的细节将在大约5X5像素 。虽然有许多像素的工作 ，斑点是传播在许多像素 ，所以信息是有点模糊 。通常一个镜头会有一些设计和制造缺陷 ，传播的光 ，甚至更多 ，进一步降低图像质量 。

物理设计提供两个选项改变衍射极限方程相关的理论最大能力的规律：第一是改变F / #的镜头 ，二是改变光的波长 。

 

变化的F / #

在F / #变化引起的变化在系统性能 。一般来说 ，改变f / #是通过调整虹膜镜头的设置 。一个镜头的焦距 ，大光圈代表一个较小的F / # 。关闭虹膜下小光圈f / #代表增加 。一个小的F / #透镜产生一个较小的通风盘 ，表明镜头可以在一个场景中的细节图像 。但其他性能参数也随F / # 。

可以看出 。但是，这降低了领域的深度的能力 ，在不同的距离 ，从镜头中看到的对象信息 。最大分辨率要求的F / #减少 ，同时增加景深要求F / #增加 。从本质上说 ，它是不可能有非常高的分辨率 ，在一个大的领域 。为了优化分辨率和深度的领域 ，设计师需要作出妥协 ，或寻求更复杂的解决方案 ，如使用多个成像系统 。

 

改变系统的波长

波长 ，或颜色 ，选择用于照明可以对系统性能产生巨大的影响。一个高质量的成像系统的性能可以显着改善 ，简单地通过从宽带到单色照明 。这甚至可以从一个单色波长不同的单色光的波长转换是真的说从红色照明在680nm切换到蓝色在480nm 。正确的选择照明颜色可以使高对比度和无对比度之间的差异 ，并可以决定一个系统的成功或失败 。

镜头通常聚焦在不同的颜色的光 ，在不同的距离 ，这往往使光斑尺寸较大 。尽可能减少波长范围将提高任何镜头的性能 。如在衍射极限方程中所看到的 ，波长是影响光斑尺寸的变量之一 。

现实世界的镜头和什么可以做 ，以最大限度地提高镜头的性能 。

优化的F / #和波长范围将不提供完美的性能 。所有的镜头都受到减少成像性能相关的整体质量 ，他们的设计和制造 。但是 ，设计师可以得到最出他们的成像系统 ，通过实施一些最佳镜头设计的做法 ，提高性能。

在许多情况下 ，更高的分辨率的应用程序受益于更大的光学 。了解一个系统的体积要求之前 ，是特别重要的系统 ，需要高分辨率和高倍率 。小型消费相机是令人印象深刻的 ，但他们不接近的能力 ，甚至中级工业成像系统所需的部分 ，因为他们的规模限制 。它通常是有利的 ，指定一个系统的视觉部分 ，因为它通常是更容易安排的视觉部分周围的电子和机械 ，而不是其他方式 。

不要靠得太近 。由于物理的限制 ，尝试一下相对于透镜的工作距离过大是视场放置在光学部件的设计过分要求 ，并且可以降低系统的性能 。所以建议的两到四倍的所需视场的工作距离被使用 ，同时尽量减少成本最大化性能 。

没有通用的解决方案 。可以做任何事情的一个单一的镜头不存在 。竞争的要求需要平衡 。随着分辨率的增加 ，它变得越来越困难 ，以减少像差的不完善 ，不利影响性能 。因为这个原 因 ，表面上类似的应用程序可能需要一个广泛的镜头解决方案 。

缩小所需的成像系统的具体参数 ，减少了广泛的可用的镜头和传感器到一个可管理的组件的选择 ，增加了成功的可能性 。一个系统指定越早 ，就越容易避免工程变更 。