几种特殊相机介绍和它们的应用

工业上，除了常见的可见光2D、3D相机外，还有一些特别的相机用于一些特殊应用。

一、红外相机

通常情况下，人眼可见范围为390nm-780nm。波长超过780nm判定为红外光。

红外光一般分为近红外NIR、短波红外SWIR、中波红外MWIR、长波红外LWIR、微波。

红外相机-NIR

NIR（近红外）是肉眼不可见的电磁波谱的一部分，NIR的成像并不依赖于颜色，所以可以高精度地可视化任何物体。

NIR光的波长比可见光长，这通常意味着光更容易通过纸张、布料和塑料等材料透射。近红外波长对材料和涂层的反应也与可见光不同。

NIR可以做到：

• 更容易穿透材料
• 降低成像对象的颜色饱和度
• 消除不必要的眩光和反射
• 忽略各种检测应用中不需要的细节

红外相机-SWIR

短波红外(SWIR)的范围在1050~2500nm之间，它占据了近红外以上的电磁波谱，完全超出了传统硅基成像传感器的能力范围。所以短波红外相机通常使用InGaAs传感器来感知该波段的光。

InGaAs传感器是目前主流的相机技术，工作在900至1700nm的SWIR范围内。与其他SWIR成像方式相比，它们具有相对成本效益和成熟的特点，这使得它们成为包括检测、分类和质量控制在内的机器视觉应用中最常用的技术。

SWIR最有前途的机器视觉应用之一是产品的检测和分类。

红外相机-MWIR

MWIR也被称为“热红外”，因为辐射是从物体本身发射的，不需要外部光源来成像物体。两个主要因素决定了物体在热像仪上看起来有多亮：物体的温度和发射率（材料的物理属性，描述了它的辐射效率）。

所有温度高于绝对零度（-273°C/-459°F）的物体都会发出中波红外和长波红外波长（3μm-14μm）的红外辐射，其数量与物体的温度成正比。热成像聚焦并检测这种辐射，然后将温度变化转换为灰度图像，使用更亮和更深的灰色阴影来表示更热和更冷的温度，从而直观地表示场景的热量分布。

MWIR收集3μm至5μm光谱波段的光。当主要目标是获得高质量图像而不是专注于温度测量时，就会使用MWIR相机。

红外相机-LWIR 

长波红外（LWIR）是电磁波谱红外波段的细分，可捕获8至14μm长波红外（LWIR）光谱中的红外能量。

LWIR主要目标是专注于温度的测量。

二、紫外相机

从约10nm-400nm的辐射波段称为紫外线辐射，通常分为三个波段：近紫外（200nm-380nm）、远紫外（10nm-200nm）、极紫外（1nm-31nm）。而空气在低于约200nm的波长下是不透明的，也意味着无法进行观察。

近紫外又可以细分为：320nm-400nm的长波UV，也称UV-A；280nm-320nm的中波UV，也称UV-B；200nm-280nm的短波UV，也称UV-C。

工业上使用最常见的紫外波长是365nm和395nm。紫外线可用于机器视觉应用中，以检测使用可见光无法检测到的特征。由于紫外线被许多材料吸收，因此可以捕获产品表面的图像，并且由于它的波长比可见光短，因此会被产品上的表面特征所散射。通常用于高分辨率视频显微镜、电晕检测、半导体检测和无损检测。

三、高速相机

高速摄像机是一种能以小于1/1000秒的曝光或超过每秒250帧的帧速率捕获运动图像的设备。

市场上的高速相机基本可以分为两大类：可以与捕获的视频相同或者更快的速度加载视频的相机，以及捕获整个事件并必须在后续进行数据传输该事件的相机。

这两种类型相机的使用取决于需要拍摄的时间长度，一般分为长时间记录事件和瞬态事件。

长时间记录的事件通常在100 - 300fps的情况下以中等分辨率记录几分钟或者几个小时。在这些事件期间，相机无法存储完整的视频，所以必须将其实时的传输到计算机。传输速度取决于传输介质的吞吐能力。

瞬态事件在几秒钟内发生，通常每秒钟捕获几千帧图像，然后生成一个以GB为单位的RAW原始数据。在拍摄瞬态事件而使用的相机时，要增加拍摄的事件的持续时间，就需要一台具有尽可能多的临时存储容量（RAM）的相机。

高速摄像机主要应用于科研，军事测试以及工业生产评估等领域。例如汽车碰撞测试，焊接过程中的电弧的产生，电池爆炸过程中的有机液体飞溅，像这一类速度非常快的现象必须借助高速摄像机才能清晰的捕捉到。高速摄像机可以在很短的时间内完成对高速目标的快速、多次采样，当以常规速度放映时，所记录目标的变化过程就清晰、缓慢地呈现在我们眼前。

四、偏振相机

偏振相机就是四个不同角度的偏振片(90°, 45°, 135° 和0°) 分别放置于单个像元上，每四个像元一组作为一个计算单元。通过四向偏振器来捕捉画面物体中的不同程度的极化信息，直接体现在拍摄的画面中，可适用于玻璃检测、应力检测等应用；同时还可以检测玻璃、金属等单色或彩色相机难以检测的反光表面。

传统机器视觉无法检测的应力、表面粗糙度、合金成分等应用，而这些都是偏振相机的优势体现，极大地延伸了机器视觉的探测能力。           

偏振的应用长期以来一直用于机器视觉检测，以检测应力，检测物体并减少透明物体的眩光。典型的设置需要在目标物体、光源和相机之间安装一个或多个外部偏振片板。各种设置可用于测量材料应力，增强对比度以及分析表面质量的凹痕或划痕。

应力检测

当偏振光穿过透明材料时，偏振光的入射角度将通过物体中的不同应力区域转换为不同的角度。通过将颜色分配给特定的偏振角度，可以可视化缺陷和应力区域。

减少反射

物体会反射光线，使表面检测变得困难。食品和包装检测应用可以通过减少反射和眩光来减少偏振片的使用。

提高对比度

在低光照条件下，可以通过检测物体偏振的角度来改善对比度。上面的例子展示了如何在低光下通过常规成像来改善对比度。

划痕检测

与应力检测类似，使用传统成像很难识别某些缺陷和划痕。为了帮助识别表面缺陷，偏振成像可用于检测透明材料上的划痕。

文章来源：光虎视觉