【综述】简析机器视觉中不同波长的成像应用

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今天主要来说一说机器视觉镜头选择和不同波长的成像应用。不同波长的光在使用同一个镜头的时候会产生不同的效果，这跟镜头的透光率和色差等有关。而不同波长的波段范围成像主要应用也不太一样，这在实际项目应用中具有重要参考意义，比如现在新冠肺炎疫情体温检测中应用非常广的长波红外(LWIR)成像，用于非接触式温度测量。

镜头
镜头在机器视觉系统生成的图像质量中起着至关重要的作用，因为它们决定了相机传感器上图像的清晰度。

镜头可以通过多种方式影响图像质量：
1、由于透镜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线从物体上的单个点聚焦到图像上的单个点
3、减少朝向图像边缘的光强度
4、图像的空间失真

通过选择合适的镜头结构，可以将所有这些影响降到最低。外星眼为您重点介绍了在为您的特定需求选择镜头时的一些注意点，包括波长、透光率、色差等。

波长
透镜传输光时，首先要考虑的是所用光的波长，因为这对色差和光传输都有重大影响。这在镜头设计中尤为重要，因为越来越多地使用红外线和紫外线辐射作为可见光的替代品，以揭示原本无法看到的信息。虽然宽带光辐射在某些应用（例如彩色成像）中必不可少，但使用单色照明可以实现与波长相关的最佳镜头性能，而与选择的波长无关。
 
透光率
一般来说，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。在镜片表面使用薄的抗反射涂层可减少这些反射并显著提高透光率。宽带镀膜可用于彩色成像，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。使用涂层波长范围之外的波长实际上会降低透射率。
 
色差
当不同波长的光通过空气-玻璃界面时，每个波长都会折射不同的量。这种色散是一个可测量的量，会导致镜头产生色差，镜头的边缘会模糊物体的边缘，从而无法进行准确的机器视觉测量。有数百种具有不同色散特性的不同光学玻璃类型可供选择，从而可以生产具有各种玻璃元件以补偿色差效应的消色差透镜（图 1）。使用单色光源时只需要更简单的镜头设计，因为没有色差。
图 1.色差校正

不同波段范围成像主要应用


线扫描成像
线扫描成像用于检查传送带上的连续材料和成像对象，尤其是在对象长度不同的情况下。线扫描（图2），当物体从下方通过时，通过高速扫描相机的线传感器，一次生成一条图像。与区域扫描成像相比，由此产生的较短像素曝光时间使得镜头透射率成为传感器获得充足光线的重要因素。传感器可提供高达16K像素的分辨率，5 x 5 µm 像素单色线传感器的长度超过80毫米。因此，必须使用大画幅镜头来确保对整个线阵列长度的照明，而不会在光束被阻挡（通常被镜头座阻挡）的地方产生机械渐晕，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重要。然而，彩色线扫描成像利用400-700nm的整个可见光谱，因此需要具有较宽的抗反射涂层的消色差透镜来消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生成RGB信号，而在三个或四个传感器相机中，来自物体的光被收集到一个棱镜中，该棱镜将RGB分量（和近红外（NIR）在四芯片相机中）用于单个传感器的同时检测。这种布置使用公共光路，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，因为 R、G、B 和NIR像素对于任何给定的物体位置都是重合的。与基于棱镜的相机一起使用的镜头需要特殊的设计来补偿相机内不同的光路和聚焦特性。为了避免棱镜的机械损伤，透镜的后凸也必须保持很低。
图 2.线扫描
 
近红外(NIR)成像
近红外(NIR)波段范围从700nm延伸到1μm。传统的CMOS传感器具有一定的NIR灵敏度，而在850nm以上具有增强灵敏度的版本正变得越来越普遍。NIR可以揭示水果、蔬菜、坚果和肉类等食物中的腐烂、机械损伤和虫害等非表面特征。NIR照明还可以穿透某些染料和油墨，从而可以通过印刷包装检查产品。在木材、纺织、纸张、玻璃、瓷砖和电子工业中也有应用，并用于检查圆柱形物品（如罐头、瓶子、钢笔等）甚至旋转物体上的标签。此外，将脉冲NIR光源与NIR通滤光片结合使用可消除因环境光波动而产生的任何不良影响。如果同时对物体进行NIR和彩色成像很重要，则使用两个单独的相机可能会在获得两个图像之间的准确配准方面存在问题。多传感器棱镜相机是一种强大的替代方案。在这里，棱镜将来自样品的光分离成可见光和NIR波长通道，这些通道配备了单独的传感器，从而为两个图像提供完全相同的视野（图 3）。与这些相机一起使用的镜头必须与棱镜的光学特性很好地匹配。在这里，棱镜将来自样品的光分离成可见光和NIR波长通道，这些通道配备了单独的传感器，从而为两个图像提供完全相同的视野（图 3）。与这些相机一起使用的镜头必须与棱镜的光学特性很好地匹配。在这里，棱镜将来自样品的光分离成可见光和NIR波长通道，这些通道配备了单独的传感器，从而为两个图像提供完全相同的视野（图 3）。与这些相机一起使用的镜头必须与棱镜的光学特性很好地匹配。
图 3.双通道彩色和 NIR 棱镜相机示意图
 
短波红外(SWIR)成像
短波红外(SWIR)的范围约为1 - 5 µm，许多相机经过优化可以在0.9 - 1.7µm范围内工作。这些相机需要特殊的探测器，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相似，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加而进一步降低的低色散，因此可能需要一些更昂贵的高色散特种玻璃元件来生产消色差透镜。结晶红外材料，例如硒化锌和氟化钙，具有高色散性能，但这些材料的机械强度远低于玻璃，而且价格也更高，因此，大多数SWIR镜头继续由具有抗反射涂层的玻璃制成。水在SWIR区域强烈吸收光，导致农业和农业中的大量水分分布检测应用以及检查瓶中水性液体的填充水平。硅对SWIR辐射的透明性使得能够检测非表面半导体和太阳能电池，包括检测半导体晶锭中的杂质和多晶材料中的裂缝，而在回收过程中，可以区分塑料材料。有机材料和塑料根据其成分选择性吸收SWIR波长而产生的独特“指纹”可使高光谱成像成为它们的唯一识别。这将红外光谱与机器视觉相结合，生成根据被成像物体的化学成分进行颜色编码的图像（图 4）。SWIR成像还可以测量250℃和800℃之间的温度，使其可用于在制造和焊接应用的早期检查热玻璃材料。
图 4.高光谱图像中的红色区域显示彩色图像中不可见的非表面瘀伤
 
长波红外(LWIR)成像
长波红外(LWIR)波段范围为 8-14 μm。具有微测辐射热计传感器的LWIR相机使用自然发射的辐射（热成像）可实现高达250℃的高精度表面温度分布测量。可以在远距离、完全黑暗的环境中以及通过雾、灰尘、雨和烟雾检测到热辐射。应用包括监视、安全和救援，最近还用于在Covid-19(一般指新型冠状病毒肺炎。新型冠状病毒肺炎Corona Virus Disease 2019，COVID-19，简称“新冠肺炎”)大流行期间对人体进行发烧筛查（图 5）。工业应用包括无损检测和过程检测。LWIR光学器件通常由锗或硫属化物材料制成，例如Ge33As12Se55。硫属化物具有与锗相似的光学和机械性能，但折射率不同。
图 5.人体温度升高的LWIR检测
 
紫外成像
紫外成像系统提供比可见光更高的分辨率能力，能够解析亚微米特征。这对于检测抛光或高度镜面表面上的划痕和缺陷以及印刷电路板、文件和信用卡等产品中非常小的表面细节特别有用。由于玻璃会减弱紫外线，石英透镜可用于 UV-A (320– 400nm)和UV-B(290-320nm) 照明，并且可以构建消色差双合透镜。
 
选择镜头
任何机器视觉应用中使用的波长都对选择最合适的镜头具有重要意义，更广泛的光谱范围需要更复杂的镜头设计。但是，还必须考虑其他因素，包括其他缺陷和像差校正，以及使用镜头的物理环境。由于市场上有大量镜头可供选择，因此与可以对成像要求采取整体方法的专业视觉技术供应商合作会很有帮助。可以肯定的是，很少有一家制造商可以为所有应用提供正确的光学解决方案，因此针对性的独特的建议是好的机器视觉系统的第一步。