光場相機通過在主透鏡與傳感器元件間放置一塊緊密排布的微透鏡陣列，僅需單次曝光即可獲得光線的空間、角度四維信息，經過后期算法處理可以得到場景處于不同視角和不同景深的圖像以及深度信息，具有結構緊湊，體積小，采集效率高等優點。據筆者了解，目前在工業級光場相機制造供應上，主要有德國的Raytrix公司以及國內的VOMMA奕目（上海）科技有限公司。
Raytrix?成立于2008年，自2010年起銷售用于專業應用和研究的3D光場相機。Raytrix專注于為工業應用開發光場相機，獲得專利的微透鏡陣列設計能夠在高效分辨率和大景深之間實現最佳折中（trade-off）。Raytrix推出的光場相機已經在計算機攝影、PIV三維測速、工件視覺檢測、三維立體顯示、人臉辨識以及交通監控等領域均取得了較好的應用。
奕目（上海）科技有限公司則成立于2019年，為上海交通大學科技成果轉化企業，計算成像領域的"專精特新"高新技術企業。核心產品光場相機結合計算成像技術，實現對多維度光線信息的瞬時記錄，擁有單次拍攝、瞬時三維建模的能力，具有微納級精度、毫秒級計算、被動式測量的特點。至今VOMMA推出了多臺工業級光場相機，在屏幕缺陷分層檢測以及芯片金線三維檢測、虛擬像面等落地應用上都取得了較好的檢測效果。
雖然Raytrix和VOMMA的核心產品——光場相機都是基于微透鏡陣列對光場進行采集，但兩者在成像原理上存在本質的差別。
如圖1所示，Raytrix推出的光場相機為聚焦型光場相機，微透鏡陣列（MLA）并不是放置在主透鏡像側焦平面位置，因此微透鏡陣列實際上是對主透鏡所成的像進行二次成像。根據聚焦型光場相機的成像原理，微透鏡陣列的位置可以進行調整，因此對于Raytrix光場相機系統，微透鏡陣列與傳感器元件的間距為毫米尺度，封裝要求較低，微透鏡陣列易于封裝。
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圖1?Raytrix光場相機及成像原理
如圖2所示，VOMMA推出的光場相機大多為散焦型光場相機，微透鏡陣列放置在主透鏡像側焦平面位置，因此微透鏡陣列對主透鏡所成的像直接成像。對于散焦型光場相機系統，微透鏡陣列與傳感器元件的間距為一個微透鏡焦距，為微米尺度，封裝要求極高。VOMMA采用高精度芯片級封裝工藝，自主研發的光場封裝機臺可將封裝誤差控制在±1um，從而得到精度更高的深度計算結果。
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圖2 VOMMA光場相機及成像原理
光場相機應用案例
3.1 3D金線檢測
隨著半導體技術的快速發展，電子產品的封裝集成度越來越高、實現功能越來越多，市場對高質量芯片的需求也相應增長。芯片生產制造過程中，各工藝流程環環相扣且技術復雜，導致芯片容易產生缺陷而被強制報廢，因此芯片金線的缺陷檢測至關重要。
芯片制造過程中產生的表面缺陷示例如圖3所示，主要為金線產生多線、并線、塌線、斷線、線高等缺陷。
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圖3芯片表面缺陷
芯片金線體積很小，且表面金屬反光明顯，目前對于芯片金線的檢測基本采用人工檢測的方式。人工在高倍顯微鏡下進行檢測，效益低且檢測精度不高，易出現疲勞導致生產效率低，無法滿足芯片批量生產的檢測需求。另外，單一工位檢測容易出現漏判情況，從而無法實現全方位檢測的目的。視覺測量技術的逐漸發展使得金線缺陷檢測方式擁有了更多的可能性。圖4和圖5分別展示了Raytrix和VOMMA、對金線的3D檢測應用案例效果。
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圖4 Raytrix芯片金線3D檢測應用
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圖5 VOMMA 芯片金線3D檢測應用
除了對芯片金線的三維形貌測量之外，為了提高檢測效率，奕目科技還開發了成熟的AI視覺檢測算法平臺。該算法平臺基于光場相機三維成像過程中得到的2D和3D結果，能夠自動識別、定位芯片、金球和金線，從而完成對多種缺陷的識別與檢測。圖6展示了視覺檢測算法平臺自動完成了單個芯片的金球、金線識別，并且輸出是否斷線以及線高的測量數值。
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圖6 VOMMA開發的金線缺陷檢測算法平臺
3.2 人臉建模
3D人臉建模，在游戲、影視特效、VR等領域應用廣泛，但是由于人臉的復雜性、易變性，如何建立逼真的3D 人臉模型成為了一道難題。軟件建模是最常見的人臉建模方式，利用3Dmax、Maya和Blender等3D建模軟件可以對人臉進行手工建模，但是該方式耗時耗力且對電腦顯卡要求較高，很容易出現電腦系統延遲甚至崩掉的情況。
相比之下，儀器采集的建模方式要輕松的多，通過3D測量設備，對人臉進行多次、多角度的數據采集就能夠獲得人臉的三維信息。由于人類無法做到長時間保持動作一致，因此對采集儀器的效率和測量精度有著較高的要求。具有高采集率和高測量精度的光場相機不失為一種好選擇。
圖7和8分別展示了Raytrix和VOMMA人臉建模應用案例結果。在面部還原效果以及細節上，VOMMA絲毫不遜色于發展多年的Raytrix。
圖7 Raytrix人臉建模應用案例
圖8 VOMMA人臉建模應用案例
3.3 手機屏幕分層檢測
現在的手機屏幕主要以觸摸屏為主，組成部分有蓋板玻璃、觸控模組和顯示模組。其中，顯示模組通常分為LCD和OLED，其結構如圖9所示。
LCD屏幕顯示模組由偏光片、彩色濾光片、TFT、液晶、背板等構成，圖像顯色度好、畫面柔和不傷眼。OLED屏幕顯示模組由偏光片、有機發光層、玻璃、TFT等材料構成，屏幕可自發光，具有輕薄、可彎曲、低耗能的優點。
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圖9?LCD和OLED屏幕結構組成
手機屏幕在生產過程中可能出現亮點、劃痕、崩邊或附著異物等多種缺陷，并且這些缺陷可能會以分層的形式出現，導致其百分百強制報廢。因此對手機屏幕檢測相當有必要。VOMMA提供的手機屏幕缺陷3D檢測方案（見圖10和圖11）可通過單次拍攝（＜100ms）獲得三維信息，通過成熟的AI視覺檢測算法平臺，能自動識別、定位點狀灰塵、亮點、暗點，并完成檢測、測量和分層判斷。
圖10 VOMMA屏幕缺陷3D檢測方案成像效果展示
圖11 VOMMA開發的手機屏幕缺陷檢測算法平臺
3.4 虛擬像面三維檢測
VR眼鏡之所以能給人以沉浸式體驗，主要歸功于：（1）大FOV使人視線范圍內都沉浸于VR圖像中；（2）單目成像的分辨率高、畸變小等；（3）雙目圖像的合像特性好，左右圖像一致性高、融合程度好。其中，合像特性尤為重要，它影響著虛擬物體顯示的立體感，融合程度差會讓使用者產生視覺疲勞（大腦會嘗試將左右眼得到的圖像經過旋轉平移來重合，如有差異就容易視覺疲勞，見圖12）。因此，左右眼畫面和虛擬像面距離（Virtual image distance，VID）的一致性，對VR眼鏡的使用體驗有較大影響。
圖12 VR眼鏡合像特性
由于VR眼鏡投射的是光線而非實物，無法使用接觸式三維測量技術以及依賴主動光源的結構光、TOF、線激光等測量方式。而在被動式三維測量技術中， 雙目視覺技術由于基線距離、雙相機光軸無法與VR眼鏡統一等原因，也無法完成虛擬像面距離測量。因此，光場成像測量方式在VID測量上具有絕對優勢。VOMMA首次運用光場成像技術對VR眼鏡左右眼形成的虛擬像面分別進行了測量，測量效果如圖13所示。
圖13 VOMMA虛擬像面測量應用案例
四、總結
光場相機應用場景廣泛，特別是在工業檢測領域，其獨特優勢使得這項技術具備相當大的發展潛力，光場相機的出現為工業檢測領域注入了新的活力。國內的光場技術研發公司，如VOMMA，一直致力于光場相機的研發和創新。他們不斷提升光場相機的分辨率和成像質量，拓展其在工業檢測領域的應用。通過不斷優化算法和硬件設計，光場相機的性能得到了大幅提升，使得其在工業檢測應用上展現出更大的潛力。
總而言之，光場相機在工業檢測領域具備廣泛的應用場景和潛力。其能夠提供更加準確和全面的圖像數據，有助于實現精確的工業檢測和質量控制。隨著光場相機技術的不斷發展和創新，相信它將會在工業檢測應用上大放異彩。
