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取得卓越成像的11种最佳实践
爱特蒙特光学有限公司。

取得卓越成像的11种最佳实践

成像资源指南1.1章节

11 Best Practices for Better Imaging

无论您的应用属于机器视觉,生命科学,安防或交通解决方案,深入了解成像技术的基础能显著简化复杂成像系统的开发与发展。虽然传感器与照明技术的发展代表着无限的系统能力,但是这些技术的设计与生产仍存在着物理限制。光学组件也存在着此类限制,而且光学元件一般上会限制系统的整体性能。此指南内所提供的内容旨在协助您指定一款成像系统,充分发挥系统性能,同时尽量降低成本。

我们汇集了数个最佳实践,可用于建立复杂且具成本效益的成像系统,适用于多数应用中。虽然以下列单已几乎涵盖各种情况,而且在设计任何一款成像系统时都应列入考量范围中,但是每一款应用都是独特的,并且可能需要额外考虑其他因素。

爱特蒙特光学最佳实践#1:在多数情况中,越大越好。安装成像系统时需给予足够的空间。

在建立系统之前需了解系统的空间需求,尤其是那些需要高分辨率与高放大倍率的系统。虽然消费性相机技术的近期发展已实现了“尺寸小,性能好”的成果,但是仍无法满足中级工业成像系统所需的能力,而部分是因为这些系统的尺寸限制。许多应用除了操作某些设备所需的电缆与电源之外,可能也需要复杂的光几何体、直径较大且长度较长的镜头以及尺寸较大的相机。避免因未考虑到系统的空间需求而需要牺牲系统性能的情况。首先指定系统的视觉部分通常比较有利,因为一般情况下,以视觉部分为中心来配置电子元件与机械结构件会比较简单(相反过来较困难)。同时必须记得的是,照明系统属于视觉系统的一部分,而且经检测的物体的几何通常使系统需要使用大型光源,例如漫射圆顶灯(请参阅爱特蒙特光学最佳实践#4)。

爱特蒙特光学最佳实践#2:别相信眼前所见。

人类的眼睛与大脑会共同合作组成一个极为先进的成像与分析系统,能够补充未必存在的信息。此外,相较于成像系统,人类能够以截然不同的方式观察与处理。应使用软件分析以确保图像质量与性能要求均已符合。对人类观察者来说看似正常的图像却可能无法与算法使用。

爱特蒙特光学最佳实践#3:危险!别靠的太近。

由于物理学方面的限制,尝试实施太大(相对于镜头的工作距离)的视场,将对光学组件的设计过于苛求,并且会降低系统性能。在选取镜头时,建议选取一款工作距离长度大约为所需视场宽度的两倍至四倍的镜头,以便在尽量降低成本与系统复杂性的同时,充分发挥系统性能。谨记爱特蒙特光学最佳实践#1,并且在建立系统之前先考虑成像系统的空间需求。

此实践也适用于传感器尺寸与焦距之间的关系。最好是在焦距与传感器对角之间取得二对四的比例以便使性能最大化。

最佳实践#1和#3: 如果需要100mm的视场,建议系统采用200-400mm的工作距离。当工作距离对视场的比例接近或超出1:1时则可能满足系统的性能需求,但可能必须在成本或性能方面做出牺牲。

 

Two Lens Designs with the same Field of View and very different Working Distances
Two Lens Designs with the same Field of View and very different Working Distances
图 1: 两款镜头设计,1a以及1b,拥有相同的视场但是不同的工作距离。

 

图1a以及图1b中的两款镜头均在相同的传感器上以相同的视场进行成像,但是1a的镜头的工作距离只有其视场的一半,而b的镜头的工作距离是其视场的三倍。光线会以极端的角度透过1a的镜头,而视场边缘的光线(洋红色/红色)的路径比视场中央的光线(蓝色)的路径来得长。相比之下,1b的镜头能够以较浅的角度和较小的路径距离差别取得相同的视场。因此,1b的镜头备有一个较简化的镜头设计并且能够以较低的成本提供卓越性能。

爱特蒙特光学最佳实践#4:照亮您的人生。这点的确非常重要。

然看似一种艺术形式,但是选择适当的照明几何的背后却隐藏着各种科学原理。为了让镜头与传感器能够有效地共同操作,必须为物体提供适当照明以产生强烈对比度。必须彻底了解检测中的物体的特性以及任何缺陷的性质以便能够采用适当的照明几何。谨记这些灯的尺寸有时非常大(请参阅爱特蒙特光学最佳实践#1)。

选择正确的照明应用注释中学习更多关于光照几何学的知识。

爱特蒙特光学最佳实践#5:颜色很重要。

为照明所选择的波长(颜色)对改善或降低系统性能拥有巨大的影响力。例如,在使用优质光学元件以及顶级传感器的应用中,从宽带照明切换至单色照明,或在特定波长之间切换,可大大改善性能。如爱特蒙特光学最佳实践#4所述,选择正确的波长对于产生高对比度和无对比度起到关键作用。依照所选的波长是否正确,照明的颜色可决定系统的成败与否。

机器视觉中的滤波应用注释中学习适当的滤波技术是如何对系统性能造成影响的。

爱特蒙特光学最佳实践#6:鱼与熊掌不可兼得;高解析度与大景深很难共存。

f/# (镜头光圈/孔径设)所示,若要将解析度与景深最大化,需要同样的变量(镜头的f/#)反向变化。基本上,要同时取得非常高的解析度以及大景深是不可能的。物理学规定这是无法实现的,而且需要做出各种妥协或采用更多复杂的解决方案,例如使用多个成像系统。

爱特蒙特光学最佳实践#7:没有通用的解决方案;万能镜头并不存。

随着解析度需求的增加,在广泛的工作距离与视场范围中减少像差(对性能引起负面影响的光学设计属性)将会变得越来越困难。即使没有预算约束,但仍存在限制。因此,需要一系列适用于类似应用的镜头解决方案。

爱特蒙特光学最佳实践#8:要有自我意识。彻底了解经检测的物体。

成像的基础就是对经检测的物体尽可能产生最高对比度的能力,所以了解物体属性(例如材料或饰面)对应用的成功至关重要。此外,知道哪些部分被列为优质或劣质并不足够。相反地,为了确保高水平的可靠性与可重复性,必须了解将经检测的细节范围以及优劣的界限。

爱特蒙特光学最佳实践#9:做个控制狂。

控制成像系统所部属的环境的能力可显著影响结果的可靠性与一致性。此外,这也能够减少意外问题发生的可能性。无论是使用滤光片增加对比度,使用隔板防止多余的光线进入系统,或是使用测量设备监控光源以实现光谱稳定性,控制环境将可减少未来不可预见的难题。其中的一些技术成本极低,且可保护与提升昂贵成像系统的性能。

爱特蒙特光学最佳实践#10:尽量抱怨。

别害怕地去问某些事物为何有效或无效的原因。供应商应能够解释为何系统中的不同组件无法达到理想的效果。每次得到的答案都将有所不同;有时问题与物理定律限制相关,有时问题则与组件的设计或制造相关。光学制造是一门科学,而设计师与制造商应能够解释事物发生的原因。

爱特蒙特光学最佳实践#11:列出清单;了解与定义成像系统的基本参数。

通过缩小成像系统所需的特定参数,您可将各种可用的镜头与传感器选项减少至可管理的组件选项范围。成像系统的基础参数是个不错的出发点,并于下一部分中详细说明。

本内容对您是否有用?

拥有超过800款成像镜头和多达40页的技术内容,让爱特蒙特光学成为您的成像光学合作伙伴。.

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