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更優成像的11個最佳範例
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更優成像的11個最佳範例

成像資源指南第1.1部份

11 Best Practices for Better Imaging

不論您的應用是機器視覺、生命科學、保安,還是交通解決方案,瞭解成像技術的基礎知識都能顯著簡化複雜成像系統的開發和部署。雖然傳感器和照明技術方面所取得的進步展示出無限的系統能力,但這些技術的設計和製造仍然存在諸多的物理限制。光學元件也受此類限制所影響,而且光學元件通常會成為系統效能的限制因素。本指南中的內容旨在協助您指定成像系統、提高系統最佳效能,以及將成本減到最低。

我們收集了大量最佳範例,方便您建立複雜且具成本效益之成像系統,這些系統適用於大多數應用。雖然以下清單幾乎涵蓋了所有情況並應該在設計任何成像系統時予以考慮,但每種應用都各不相同,您可能還需要進一步的考量。

愛特蒙特光學最佳範例#1:許多情況下,更大意味著更好。為成像系統提供充裕的空間。

建立系統前先瞭解其空間需求,對於高分辨率與高放大倍率需求而言尤其如此。雖然消費類相機技術近期取得的進步已可在小型包裝中產生非凡效能,但是,這仍達不到中級工業成像系統的能力要求,部份是因為其大小限制。除了操作某些設備所需的佈線和電源外,許多應用還需要複雜的光線幾何形狀、大直徑和超長鏡頭以及大型相機。避免僅僅因為不考慮系統的空間需求,而需被迫犧牲系統效能的情況。通常,先指定系統的視覺部份比較有利,因為一般來說,圍繞視覺部份佈置電子和機械部件會更容易(而不是倒過來)。同時請務必記住,照明系統是視覺系統的一部份,而接受檢查之物件的幾何形狀通常要求使用大型光源,例如漫射圓頂光(請參閱愛特蒙特光學最佳實踐#4)。

愛特蒙特光學最佳範例#2:不要相信您自己的眼睛。

人的眼睛和大腦一起工作以形成一個極其先進的成像與分析系統,能夠填入不一定存在的資訊。此外,人眼看到及處理的方式與成像系統不同。軟體分析應用於確保符合影像品質和效能需求。人眼看起來不錯的影像,可能無法用於算法。

愛特蒙特光學最佳範例#3:危險!請勿靠得太近。

由於物理定律的約束,嘗試實施太大(相對於鏡頭的工作距離)的視場,會對光學元件的設計提出過高的要求並可降低系統效能。建議選擇鏡頭時要讓工作距離的長度大致為所需視場寬度的二到四倍,以達到最佳的性能,同時將成本和複雜度減至最低。建立系統前,需記住愛特蒙特光學最佳實踐#1並考慮成像系統的空間需求。

此實踐還適用於傳感器大小與焦距之間的關係。最好讓焦距與傳感器的對角比保持為二到四,來得到最佳的性能。

最佳範例#1和#3: 若需要100mm視場,建議系統的工作距離為200-400mm。在工作距離與視場比率達到或超過1:1時,可能能夠符合系統效能需求,但是可能需要以犧牲大量成本和效能為代價。

 

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
圖 1: 兩款鏡頭設計(1a(left) 和1b(right)),具有相同的視場和迥然不同的工作距離。

 

圖1a和1b中的兩款鏡頭在相同的傳感器上以相同視場進行成像,但是,a中鏡頭的工作距離為其視場的一半,而b中鏡頭的工作距離為其視場的三倍。光線以極端角度通過a中的鏡頭,和視場中心的光線(藍色)相比,視場邊緣的光線(洋紅色/紅色)的通行距離更遠。相比之下,b中的鏡頭以較淺的角度達到相同視場,其路徑長度差別更小。因此,b中的鏡頭採用複雜度較低得多的鏡頭設計,並以較低成本提供出色的效能。

愛特蒙特光學最佳範例#4:點亮您的生活, 它真的很重要。

雖然看似一種藝術形式,但選擇合適的照明幾何形狀極富科學性。為了讓鏡頭和傳感器能有效地一起工作,必須透過對物件提供適當照明來產生鮮明的對比。必須理解接受檢查之物件的特點以及任何缺陷的性質,以便於使用正確的照明幾何形狀。請記住,這些燈有時可能非常大(請參閱愛特蒙特光學最佳實踐#1)。

有關照明的幾何形狀,詳見Choose the Correct Illumination

愛特蒙特光學最佳範例#5:顏色很重要。

為照明所選擇之波長(顏色)對改善或降低系統效能會產生巨大影響。例如,在使用高品質光學元件和頂級傳感器的應用中,從寬頻切換到單色照明或在特定波長之間切換,可顯著改善效能。依據愛特蒙特光學最佳實踐#4,正確選擇波長對於產生高對比度和無對比度起到關鍵作用。根據是否正確選擇波長,照明的顏色可決定系統的成敗。

有關合適的濾光技術可如何影響系統效能,詳見Filtering in Machine Vision

愛特蒙特光學最佳範例#6:魚和熊掌不可兼得;高分辨率和大景深之間難以共存。

f/# (鏡頭光圈 / 光圈設定)中所示,要儘可能提高分辨率和景深,需要同一變數(鏡頭的 f/#)反向變化。本質上,同時兼備非常高的分辨率和大景深是不可能的。物理定律規定這是無法做到的,需要從中做出妥協,或採用更周詳的解決方案,例如使用多個成像系統。

愛特蒙特光學最佳範例#7:沒有萬能的解決方案;也不存在一款萬能鏡頭。

隨著分辨率的要求提高,於很寬的工作距離和視場範圍內降低像差(給效能產生不利影響的光學設計屬性)會變得愈加困難。即使不受預算所約束,也存在其他限制。出於這個原因,需要針對類似應用提供各類鏡頭解決方案。

愛特蒙特光學最佳範例#8:要有自知之明。 徹底瞭解要檢查的目標。

成像的基礎是在接受檢查之物件上產生盡可能有最高的對比度的能力,因此理解物件的屬性(例如其材質或飾面)對應用能否取得成功甚為關鍵。此外,只知道哪些部份被視為好和不好是不夠的。反之,為保障高水平的可靠性和重複性,必須瞭解接受檢查的細節範圍以及優劣的界限。

愛特蒙特光學最佳範例#9:做一個控制狂。

掌握成像系統配置的條件 可明顯影響測試結果的可靠性與一致性。此外,它還可降低發生意外問題的可能性。不論是使用濾光片增加對比度、使用遮光罩阻隔多餘光線以防止其進入系統,或是使用測量設備監控光源的光譜穩定性,控制環境都會為將來減少不可預見的困難。其中某些技巧成本極低,但可保護並提升昂貴成像系統的效能。

愛特蒙特光學最佳範例#10:做個抱怨狂。

不要害怕問某事物行或不行的原因。供應商應該能夠解釋系統中不同元件為什麼能或不能達到預期效果。答案不會千篇一律;有時候得到的答案可能是物理規律限制,有時候也可能是與元件設計或製造相關的缺陷。光學製造是一門科學,而設計師和製造商應該能夠解釋事情發生的緣由。

愛特蒙特光學最佳範例#11:擬製一個清單;瞭解並定義成像系統的基礎參數。

透過縮小成像系統所需的特定參數,大量可用的鏡頭和傳感器可縮減到可管理的元件選擇範圍。成像系統的基礎參數是一個不錯的出發點,並於下一部份詳述。

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