理想光學(xué)系統(tǒng)

理想光學(xué)系統(tǒng)是能產(chǎn)生清晰的、與物完全相似的像的成像系統(tǒng)。光束中各條光線或其延長(zhǎng)線均交于同一點(diǎn)的光束稱(chēng)為同心光束。入射的同心光束經(jīng)理想光學(xué)系統(tǒng)后，出射光束必定也是同心光束。入射和出射同心光束的交點(diǎn)分別稱(chēng)為物點(diǎn)和像點(diǎn)。

理想光學(xué)系統(tǒng)具有下述性質(zhì)：①交于物點(diǎn)的所有光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，出射光線均交于像點(diǎn)。反之亦然。這一對(duì)物像可互換的點(diǎn)稱(chēng)為共軛點(diǎn)。②物方的每條直線對(duì)應(yīng)像方的一條直線稱(chēng)共軛線；相對(duì)應(yīng)的面稱(chēng)共軛面。③任何垂直于光軸的平面，其共軛面仍與光軸垂直。④對(duì)垂直于光軸的一對(duì)共軛平面，橫向放大率為常量。研究理想光學(xué)系統(tǒng)上述物像兩方一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的理論稱(chēng)為高斯光學(xué)。首先由德國(guó)科學(xué)家C.高斯在1841年的著作中闡明。實(shí)際上不存在真正的理想光學(xué)系統(tǒng)。共軸球面系統(tǒng)在近軸條件下可近似滿足理想光學(xué)系統(tǒng)的要求。

光學(xué)方案中又有多種光學(xué)原理，其中現(xiàn)階端常見(jiàn)的是：光波導(dǎo)和半反半透。目前包括Magic Leap在內(nèi)的AR頭顯大都采用光波導(dǎo)顯示技術(shù)，該技術(shù)的原理是微顯示屏向光波導(dǎo)的一側(cè)投射光線，通過(guò)全內(nèi)反射原理，光線會(huì)在光波導(dǎo)內(nèi)反射和傳播，然后從另一邊反射出來(lái)，終反射到用戶眼中。

光波導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)較小的機(jī)身體積，而劣勢(shì)則是圖像質(zhì)量存在部分問(wèn)題。此外，光波導(dǎo)光學(xué)效率較低，對(duì)微顯示屏的要求也更高，現(xiàn)有光波導(dǎo)主要配合LCoS和Micro OLED微顯示屏。

而半反半透雖然比光波導(dǎo)設(shè)計(jì)起來(lái)要復(fù)雜，但原理更簡(jiǎn)單，而且成本遠(yuǎn)低于光波導(dǎo)方案。Daniel表示：一個(gè)常見(jiàn)的誤區(qū)是，即使是在追求大FOV的前提下，采用半反半透光學(xué)的AR眼鏡也可以比meta 2的體積更小。

從項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，針對(duì)不同的檢測(cè)樣品，通常需要采用不同的打光方式才能得到理想的圖像，能凸顯目標(biāo)物特征。但也有某些樣品使用多種不同類(lèi)型的光源都可以適用，能得到理想的圖像特征。如小范圍的字符識(shí)別，可能是條形光源、無(wú)影光源、環(huán)形光源、同軸光源等都可以適用。而有些樣品，則可能只能有一種光源能適用，甚至有時(shí)需要采用組合光源的方式才能得到理想的特征。因此除了必須的理論知識(shí)外，平時(shí)的經(jīng)驗(yàn)積累也是相當(dāng)重要的。

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心部分是圖像采集和圖像處理，圖像本身的質(zhì)量對(duì)整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)的影響極為關(guān)鍵。而照明光源則是決定整個(gè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)圖像質(zhì)量的因素，通過(guò)選擇合適的光源，可以使圖像中的目標(biāo)特征與背景信息得到分離，從而大大降低圖像處理的難度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，光源的作用：

1、突出測(cè)量特征，簡(jiǎn)化圖像處理算法。

2、克服環(huán)境光的干擾，提高圖像信噪比。

3、提高視覺(jué)系統(tǒng)的定位、測(cè)量、識(shí)別精度，以及系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

4、降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，較為常見(jiàn)的視覺(jué)光源一般有高頻熒光燈、光纖鹵素?zé)?、氙氣燈、LED光源。而LED光源則為常用，且在機(jī)器視覺(jué)光源領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，成為機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)集成的光源。具有特點(diǎn)：

1、發(fā)光，耗電量小，使用壽命長(zhǎng)，工作溫度低。

2、新火種照明的LED光源安全可靠性強(qiáng)。

3、反應(yīng)速度快，單元體積小，綠色環(huán)保。