大倍率下的高質(zhì)量圖像：用于大型線傳感器和區(qū)域傳感器的快速、高分辨率鏡頭

在新的“d.fine HR”產(chǎn)品系列中，Qioptiq可提供高分辨率LINOS^? d.fine HR 2.4/128mm 3.33x鏡頭，它適用于要求嚴(yán)苛的線傳感器和區(qū)域傳感器。由于具有非常高的發(fā)光強(qiáng)度，因此它能提供較高的掃描速度，非常適合工業(yè)制造中的高端檢測(cè)任務(wù)。當(dāng)分束器與鏡頭完美匹配時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最佳的同軸線路照明，這使得線傳感器可獲得高對(duì)比度的清晰圖像。此外，其可選區(qū)域模塊（d.fine HR 區(qū)域掃描模塊）也使得這款高分辨率檢測(cè)鏡頭非常適合與二維區(qū)域傳感器一起使用。

圖1 Qioptiq的質(zhì)量保證：工業(yè)制造中的高分辨率檢測(cè)也需要合適的精密光學(xué)元件

工業(yè)生產(chǎn)中越來(lái)越小的公差范圍對(duì)光學(xué)檢測(cè)和質(zhì)量保證提出了越來(lái)越高的要求。除了具有更大、更高分辨率圖像傳感器的工業(yè)相機(jī)外，這也適用于所需的工業(yè)鏡頭。為了充分利用現(xiàn)代化相機(jī)系統(tǒng)的高分辨率傳感器，需要采用專業(yè)制造商如Qioptiq提供的高性能光學(xué)元件。Excelitas Technologies的這家德國(guó)子公司擴(kuò)大了其現(xiàn)有的產(chǎn)品范圍，現(xiàn)可提供具有出色成像性能和較高性價(jià)比的高分辨率鏡頭。

完美組合

鑒于機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的要求較高，每個(gè)單獨(dú)組件的生產(chǎn)都是一大挑戰(zhàn)。然而，更為關(guān)鍵的是組件、裝配技術(shù)和調(diào)整系統(tǒng)之間的相互作用，整個(gè)生產(chǎn)工藝鏈必須完美協(xié)調(diào)，從特定的玻璃，到結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)的光學(xué)設(shè)計(jì)，再到安裝和測(cè)量技術(shù)。多年來(lái)，Qioptiq在這種相互作用方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。其新的LINOS^? d.fine HR2.4/128mm 3.33x鏡頭基于熔合計(jì)算(meltfit calculation)；這意味著所使用的每塊玻璃都需經(jīng)過(guò)測(cè)量，然后根據(jù)特定的玻璃熔體來(lái)調(diào)整光學(xué)設(shè)計(jì)。這是必要的步驟，因?yàn)榧词故遣Ａе圃焐烫峁┑淖顕?yán)格的公差等級(jí)也太大了，無(wú)法保證批量生產(chǎn)中始終保持高成像質(zhì)量。此外，必須極其精確地調(diào)整每個(gè)單鏡頭元件的位置，以實(shí)現(xiàn)傾斜、居中和定位。Qioptiq為此開(kāi)發(fā)了自主的裝配技術(shù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了通常標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的安裝精度。

非常適合全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

LINOS^? d.fine HR 2.4/128mm 3.33x 鏡頭面向圖像處理系統(tǒng)和全自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備制造商。作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品提供，它可以縮短下一代檢測(cè)系統(tǒng)的上市時(shí)間，因?yàn)椴恍枰紤]定制鏡頭額外的開(kāi)發(fā)時(shí)間。Qioptiq還為該鏡頭提供了配套的配件：d.fine HR棱鏡模塊，可確保線掃描應(yīng)用中同軸照明最佳耦合。還有，d.fine HR 區(qū)域掃描模塊，可與區(qū)域傳感器一起使用。此外，d.fine HR標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)能夠精確對(duì)焦，并適用于帶有M72、M90和M95螺紋的工業(yè)相機(jī)。鏡頭和棱鏡模塊的總長(zhǎng)度可控制在177.1 mm，帶區(qū)域掃描模塊的鏡頭總長(zhǎng)度可限制為 146 mm。這款新鏡頭的光學(xué)性能超過(guò)了市場(chǎng)上得到廣泛認(rèn)可的inspec.x L鏡頭系列。HR鏡頭提供高分辨率、清晰的圖像，在整個(gè)圖像場(chǎng)中具有均勻的高對(duì)比度，因此非常適用于進(jìn)一步的電子處理。

圖2 例如，它有用于檢查晶片上最精細(xì)電路結(jié)構(gòu)的完美分辨率

其應(yīng)用領(lǐng)域包括晶圓、平板屏幕、OLED、印刷電路板和玻璃生產(chǎn)中的質(zhì)量控制。此處必須在短周期內(nèi)對(duì)大面積進(jìn)行掃描，其公差在微米范圍內(nèi)。由于具有大光圈，這款新的d.fine HR鏡頭已成為這類應(yīng)用的理想選擇，即使是在快速應(yīng)用中，也能為傳感器提供充足的光線。該鏡頭的焦距為128毫米，放大率為3.33x，可滿足工業(yè)要求，并能取代inspec.x L 4/105 3.5x。此外，其工作距離相對(duì)較大，達(dá)60 mm，這為集成到各種系統(tǒng)和應(yīng)用提供了靈活性。

圖3 帶有棱鏡模塊的d.fine HR鏡頭用于耦合同軸照明，確保使用16k/5μm和 16k/3.5μm線傳感器獲得最高的成像質(zhì)量

有限衍射和無(wú)失真

LINOS^? d.fine HR 2.4/128mm 3.33x可實(shí)現(xiàn)極高的分辨率，在物體中每毫米高達(dá) 300 線對(duì)。它針對(duì)82mm的像圈進(jìn)行了優(yōu)化，因此成為長(zhǎng)線傳感器（16k/32k）和中畫(huà)幅大面積傳感器（101MP/151MP）的理想選擇。此外，它還具有出色的色彩校正功能，可確保直達(dá)邊緣的高成像性能。在82 mm的大成像圈中幾乎不存在失真。其標(biāo)稱值小于0.1%，因此無(wú)需軟件校正功能。

2.4的高光圈與3.33x的放大率相比，以及由此產(chǎn)生的0.13的物測(cè)數(shù)值孔徑，將衍射極限向上推，從而提供了高分辨率和光強(qiáng)度。這有助于縮短曝光時(shí)間并加速生產(chǎn)過(guò)程，從而提高產(chǎn)量。這就是基于衍射限制設(shè)計(jì)的新鏡頭的優(yōu)勢(shì)所在。比較來(lái)看，inspec.x L 系列鏡頭的光圈為 f/3.5 或 f/4。

德國(guó)精密制造

d.fine HR鏡頭是LINOS機(jī)器視覺(jué)鏡頭系列中第一款在放大率大于1的情況下支持低至3.5μm像素尺寸的鏡頭。相較而言，inspec.x-L鏡頭對(duì)5μm的像素尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，理論上在傳感器上實(shí)現(xiàn)了50 LP/mm的最大成像性能，在420-680 nm的光譜分布下對(duì)比度為38%。 而新的d.fine HR鏡頭在整個(gè)82 mm的大像場(chǎng)內(nèi)以72 LP/mm的速度也能實(shí)現(xiàn)這些數(shù)值。為了在批量生產(chǎn)中保持這種高質(zhì)量，必須使用對(duì)裝配和測(cè)量技術(shù)有高要求的穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝。Qioptiq采用各種專有的裝配技術(shù)，確保了光學(xué)元件精確對(duì)準(zhǔn)、居中并固定位置，以滿足嚴(yán)苛的公差。Qioptiq擁有最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室和測(cè)量設(shè)施，以開(kāi)發(fā)和制造高質(zhì)量的檢測(cè)鏡頭。除了計(jì)量行業(yè)知名制造商的 MTF 系統(tǒng)外，Qioptiq還開(kāi)發(fā)了自主的 MTF 系統(tǒng)，以展示如何滿足檢測(cè)鏡頭的特殊要求并支持產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。在2010年德國(guó)慕尼黑附近費(fèi)爾德基興建立的新工廠內(nèi)，研發(fā)、原型制造、系列組裝和認(rèn)證工作正在齊頭并進(jìn)地進(jìn)行中。鏡頭的精密光學(xué)元件在巴伐利亞林山的Regen采用了最新工藝進(jìn)行精確制造、鍍膜和測(cè)試。這座超現(xiàn)代化的工廠在 2006年建成投產(chǎn)。

圖4 MTF (調(diào)制傳遞函數(shù))d.fine HR 2.4/128 3.33x (左)72 LP/mm

圖5 MTFinspec.x L 4/105 3.5x 棱鏡50 LP/mm

與圖5相比

100% 酸性測(cè)試

所有鏡片在交付前都要經(jīng)過(guò)100%的MTF測(cè)試，并按照以下ISO測(cè)試程序進(jìn)行環(huán)境要求認(rèn)證。

溫度: DIN ISO 9022-10-05-1 / 9022-11-05-1 / 9022-14-03-1

抗沖擊性: DIN ISO 9022-31-01-0

抗震性: DIN ISO 9022-36-07-1

這確保了Qioptiq的工業(yè)鏡頭堅(jiān)固耐用，能在運(yùn)輸和存儲(chǔ)過(guò)程中保持完好無(wú)損，并在惡劣的工業(yè)環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定地發(fā)揮作用。

當(dāng)然，LINOS^? d.fine系列也符合現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的環(huán)保要求，符合RoHS和 REACH標(biāo)準(zhǔn)。 讓Qioptiq更很自豪的是，自 2021 年起它被認(rèn)證為碳中和公司，為創(chuàng)新、可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

圖6 Qioptiq在德國(guó)費(fèi)爾德基興和雷根擁有最先進(jìn)的機(jī)器視覺(jué)鏡頭制造和測(cè)試設(shè)施（此處：新HR鏡頭的MTF測(cè)量）

完美協(xié)調(diào)的模塊

Qioptiq提供的HR鏡頭可與棱鏡模塊或區(qū)域掃描模塊相組合。分光棱鏡為配置鏡頭和照明組成的完整光學(xué)系統(tǒng)帶來(lái)極大便利，因?yàn)樗転榫€掃描相機(jī)的同軸照明提供光耦合。這對(duì)于具有高反射率的表面（例如顯示器或晶圓）來(lái)說(shuō)尤為重要。鏡頭和分光棱鏡須組成一個(gè)光學(xué)單元，且組件之間必須完美匹配。對(duì)棱鏡的高光學(xué)要求和安裝技術(shù)在此處也很關(guān)鍵。這些組件共同實(shí)現(xiàn)了最佳的有限衍射成像性能。通過(guò)V型槽可以完成鏡頭與相機(jī)和棱鏡的安裝與連接。這使得棱鏡和鏡頭的方位能保持完美對(duì)齊，并對(duì)照明進(jìn)行精確調(diào)整。

如果不需要通過(guò)棱鏡模塊進(jìn)行線狀照明，就需要對(duì)棱鏡塊的玻璃厚度進(jìn)行補(bǔ)償，這在鏡頭設(shè)計(jì)中已經(jīng)考慮到了。區(qū)域掃描模塊可以解決這個(gè)問(wèn)題。其最大的優(yōu)點(diǎn)在于，根據(jù)附加的模塊，同一個(gè)鏡頭可用于同軸照明的線傳感器和區(qū)域傳感器。

用于工業(yè)圖像處理的鏡頭取景器

Qioptiq可提供MachVi軟件來(lái)幫助用戶選擇合適的鏡頭，可通過(guò)下載免費(fèi)軟件，根據(jù)物體尺寸、工作距離、傳感器尺寸和相機(jī)支架等四個(gè)規(guī)格來(lái)計(jì)算所有必要的光學(xué)參數(shù)，并從 LINOS 機(jī)器視覺(jué)系列中選擇合適的鏡頭和必要的機(jī)械組件。

總結(jié)

憑借LINOS機(jī)器視覺(jué)鏡頭，Qioptiq符合當(dāng)前工業(yè)鏡頭的最高標(biāo)準(zhǔn)。傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展推動(dòng)用戶對(duì)分辨率鏡頭提出更高的要求。傳感器越來(lái)越大，像素尺寸卻在不斷減小，從而滿足更高要求的測(cè)量任務(wù)。這也提高了用戶對(duì)光學(xué)元件的要求，它必須保證在整個(gè)像場(chǎng)中具有相應(yīng)的高分辨率。通過(guò)LINOS? d.fine HR 2.4/128mm3.33x，Qioptiq為市場(chǎng)提供了一款能完美滿足當(dāng)前需求的鏡頭。