技術應用技術應用

【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

RGB

NIR

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。