【打造光學系統】第十四集:微距拍攝必知,如何搭配相機與鏡頭
許多人會將消費型相機的使用經驗對比到機器視覺的相機使用上,但產品開發方向是大相逕庭的,機器視覺偏向「微距」拍攝,所以大多無法參考消費型相機的攝影經驗,因此對設計高解析度AOI系統的工程師來說,了解基礎機器視覺光學知識十分重要。
隨著相機感光元件技術的進步,即使是小pixel size的相機,依然可以在弱光下獲得不錯的影像品質,但在設計與製造新的感光元件時,並不會特別配合鏡頭規格,因此常常造成相機與鏡頭不相容,以下列出一些常見的狀況。
1. 解析度的不相容 :
鏡頭的解像力極限取決於繞射極限,而光束匯聚的最小光點為Airy disk,其與光圈的關係如下表 :
f/# | Airy disk直徑(μm) |
f/1 | 1.54 |
f/1.4 | 2.16 |
f/2 | 3.09 |
f/2.8 | 4.32 |
f/4 | 6.18 |
f/5.6 | 8.65 |
f/8 | 12.35 |
f/11 | 16.98 |
f/16 | 24.7 |
根據相機的pixel size,我們也可以得到感光元件的Nyquist frequency如下表:
Pixel size(μm) | Nyquist limit(LP/mm) |
2.5 | 200 |
3.5 | 143 |
5 | 100 |
7 | 71 |
因此當一台高像素(小pixel size)相機,搭配一顆解像力不夠(光圈不夠大)的鏡頭,就會得到不夠銳利的影像;或是雖然搭配解像力夠的鏡頭,但光圈設置在小光圈,依然會得到不銳利的影像,如下圖 :
即使設計出一款相容最新感光元件的高光學性能鏡頭,最終關鍵還是在量產的公差控制,鏡頭製造商必須更嚴格地控制製造與組裝公差,才能生產質量一致的鏡頭。
下圖裡的白色小方框是相機的一個像素,圖1~6是一般影像品質中等之鏡頭的光斑,圖7是優異成像的光斑,圖8是圖7加低通濾鏡後的結果,而低通濾鏡造成了畫質的下降。
2. 波長的不相容 :
DALSA近幾年開始將旗下線掃描相機感光元件的對應波長,從傳統的可見光擴展到可見光譜左右兩端“UV-VIS”與 “VIS-IR”,但隨之而來地便是鏡頭相容性的考驗,例如當需要一次掃描同時得到清晰的彩色影像與NIR影像時,大部分的鏡頭都無法達成。
拍攝物:PCB電路板線路
或是要用短波長的光源(例如360nm的UV光),得到更高解析度的影像時,對大部分的鏡頭來說,365nm波長的光源由於玻璃材質的關係,實際上MTF會下降。下圖為高性能、高倍率鏡頭,分別使用460nm藍光與365nm UV光所取得的影像,且因鏡頭是針對可見光譜設計,所以實際上相較於460nm藍光,365nm UV光的影像解像力是下降的。