在機器視覺中的濾光片

在機器視覺中的濾光片

在機器視覺中，有許多不同類型的濾光片可以用于改善或改變被檢查物體的圖像。理解各種類型濾光片背后的不同技術，以了解它們的優勢和局限性，是非常重要的。盡管濾光片種類繁多，但幾乎所有濾光片都可以歸為兩大類：彩色玻璃濾光片和鍍膜濾光片。

彩色玻璃濾光片

彩色玻璃濾光片在機器視覺中非常常見，它們通過摻雜玻璃材料來選擇性地改變其吸收和透射光譜。摻雜劑的選擇基于考慮的透射波長，制造過程與標準的光學玻璃制造幾乎相同。彩色玻璃濾光片有幾個優點：與干涉濾光片相比，它們的成本相對較低，更重要的是，當與廣角鏡頭或以一定角度使用時，它們不會顯示出任何波長透射的變化。然而，彩色玻璃濾光片通常具有較寬的截止波段，其曲線不像鍍膜干涉濾光片那樣尖銳或準確，并且其透射率（百分比）也不如干涉濾光片高。圖1顯示了幾種常見的彩色玻璃濾光片的透射曲線。請注意，這些濾光片具有較寬的截止波段，并且描述其透過率函數的斜率相對較淺。

圖1：幾種不同顏色的玻璃濾光片的透射曲線

紅外（IR）截止濾光片可以是有色玻璃濾光片，也可以是鍍膜濾光片，對于機器視覺應用中的單色和彩色相機都十分有用。由于大多數機器視覺相機中的硅傳感器對波長高達約1μm的光線敏感，因此任何可能由頭頂熒光燈或其他不需要的光源引起的入射到傳感器上的IR光都可能在傳感器上產生不準確。在彩色相機中，IR光會在傳感器上產生一種虛假的顏色，從而降低整體顏色再現。出于這個原因，許多彩色成像相機的標準配置是在傳感器上安裝IR截止濾光片。對于單色相機，IR光的存在會降低整體圖像的對比度。

此外，還有許多其他類型的有色玻璃濾光片。例如，當使用多色光源和彩色傳感器時，可以使用日光藍濾光片進行色彩平衡。

鍍膜干涉濾光片

鍍膜濾光片通常提供更銳利的截止過渡、更高的透射率和更好的阻擋效果，比彩色玻璃濾光片更好。除了彩色玻璃濾光片外，還有一系列鍍膜濾光片，從硬鍍膜熒光濾光片到二向色濾光片到偏振濾光片不等。每種鍍膜濾光片都經過較好的制造工藝，以確保其性能。波長選擇光學濾光片是通過在具有交替高和低折射率的特定基板上沉積介電層來制造的。基板的表面質量和均勻性為濾光片建立了基本的光學質量基準，同時設置了基板材料透射率下降的波長限制。介電層通過在一系列波長上產生建設性和破壞性的干涉，以及與彩色玻璃濾光片相比提供更銳利的截止帶和通帶，從而產生濾光片的詳細光譜結構。

許多類型的硬鍍膜濾光片存在，如帶通、長通、短通和陷波濾光片，每種都有需要的阻擋范圍和透射范圍。長通濾光片設計用于阻擋短波長并透射長波長。短通濾光片與之相反，透射較短的波長并阻擋較長的波長。帶通濾光片透射一段波長，同時阻擋更長和更短的波長。帶通濾光片的逆是陷波濾光片，它阻擋一段波長并透射更長和更短的波長。這些濾光片類型的透射曲線形狀如圖2所示。

圖2：長通和短通（a）以及帶通和陷波濾光片的透過率曲線示例（b）

為深度阻擋（高光密度）和陡峭坡度（阻擋到透射的急劇過渡）設計的濾光片用于需要精確光控制的應用。大多數機器視覺應用不需要這種精度；通常，任何光密度（OD）為4或更高的濾光片比所需的精度更高，并且增加了不必要的成本。

由于硬鍍膜濾光片利用光學干涉來實現如此精確的透射和截止帶，因此在機器視覺應用中使用它們會引起一些困難。所有干涉濾光片都是針對特定的入射角（AOI）設計的，通常為0°，除非另有明確定義。在機器視覺中使用時，這些濾光片通常放置在鏡頭前面；這樣做會導致濾光片接受由鏡頭的視場角度決定的光線角度。特別是在短焦距（大視場角度）鏡頭的情況下，通過濾光片透射的光通常會顯示一種稱為藍移的不期望效果。例如，一個4.5mm焦距鏡頭（廣角）將具有比50mm焦距鏡頭（窄角）更大的藍移。隨著干涉濾光片的入射角增加，通過濾光片層的光路長度增加，導致開啟和關閉波長減小（圖3）。因此，在圖像中的不同場點上，濾光片會以不同的波長范圍進行透射：場越遠，藍移越明顯。在大多數情況下，干涉濾光片仍然可以提供比彩色玻璃濾光片更好的過濾控制，但在使用廣角鏡頭時要注意潛在的陷阱。

圖3b：藍移的一個例子，顯示了在15°入射角下使用的帶通濾光片。注意不僅中心波長向較低波長方向移動，而且斜率也變淺。虛線曲線是理想的，當濾光片在0°入射角下使用時。

應用與機器視覺濾光片

在設計機器視覺系統時，增強被檢查對象感興趣特征的對比度非常重要。有關對比度的簡介，請參閱我們的應用說明。濾光片提供了一種簡單的方式來增強圖像的對比度，同時阻擋不需要的照明。有許多不同的濾光片可以增強對比度，濾光片類型取決于應用。機器視覺中常用的一些濾光片是彩色玻璃、干涉、中性密度（ND）和偏振。

彩色玻璃帶通濾光片是可用于顯著改善圖像質量的較簡單濾光片之一。這些濾光片在縮小視覺系統可見的波段方面效果非常好，并且通常比類似的干涉濾光片便宜。彩色玻璃濾光片在阻擋色輪相對側的顏色時效果較佳（圖4）。

圖4：色輪展示，暖色應被用來過濾掉色輪相對側的冷色。

顏色濾光片

請考慮圖5中所示的例子，其中正在檢查凝膠膠囊。如圖所示，一對綠色膠囊的外側有兩個紅色膠囊，并在白色背光下。這是一個需要按顏色分離藥片以到達各自位置的分類應用。使用單色相機（圖6）對膠囊進行成像，綠色和紅色膠囊之間的對比度僅為8.7%，低于建議的較小對比度20%。

圖5：使用相同視覺系統檢查的四個液體膠囊，此處以彩色顯示。

圖6：用單色相機觀察的膠囊，產生8.7%的對比度。

在這個特定的示例中，環境光線的微小波動，例如個體經過系統，可以降低已經很低的對比度值8.7%，以至于系統不再能夠正常運行。這個問題存在幾種解決方案：可以構建一個龐大且昂貴的光屏蔽系統來包圍檢查系統，可以重新設計整個系統的照明方案，或者可以添加一個濾光片來增強綠色和紅色藥丸之間的對比度。在這種情況下，較簡單和較具成本效益的解決方案是使用綠色玻璃濾光片來改善兩種不同顏色膠囊之間的對比度。如圖7所示，對比度從8.7%提高到86.5%：增加了近10倍。

圖7：使用單色相機和綠色濾光片觀察膠囊，產生的對比度為86.5%。

中性密度濾光片

中性密度濾光片在某些應用中被使用，在這些應用中，在不改變曝光時間和調整f/#的情況下，對圖像的亮度有額外的控制是有利的。盡管有兩種主要的中性密度濾光片（吸收和反射），它們的總體職責是相同的：均勻地降低通過鏡頭傳輸到傳感器的光。對于像焊接這樣的應用，無論曝光時間如何，圖像器都可能過載，中性密度濾光片可以在不需要改變f/#（這可能會影響系統的分辨率）的情況下提供必要的吞吐量下降。專業中性密度濾光片，如變跡濾光片，存在的目的是幫助解決由于物體的強烈反射而在圖像中心產生的熱點問題，但是光學密度隨著距離濾光片中心的距離而減小。

偏振濾光片

偏振濾光片是機器視覺應用中常用的另一種濾光片，因為它們可以更好地成像鏡面反射物體。為了正確使用偏振濾光片，光源和鏡頭上都要有偏振濾光片是很重要的。這些濾光片分別被稱為起偏器和檢偏器。圖8展示了偏振濾光片在觀察鏡面反射物體時如何產生差異的例子。在圖8a中，CCD圖像儀正在用明場照明進行檢查，而圖8b顯示了相同的照明設置，但光源上有偏振濾光片，鏡頭上有檢偏器。

圖8：未使用濾光片拍攝的圖像（a）顯示高反光，而使用偏振濾光片拍攝的圖像（b）減少了反光。

正如圖8b所示，通過在系統中加入偏光片，由于鏡頭上的濾光片吸收了強烈的反射，從而提供了*的性能。為了確保較大程度地消除不需要的眩光，光源上的偏光片必須與其偏振軸與鏡頭上的偏光片的偏振軸成90°角對齊，否則，鏡頭仍然會將一些強烈反射的光傳輸到系統中，導致眩光。

理解濾光片存在的目的是操縱圖像的對比度，以幫助提高成像系統的準確性是至關重要的。無論是簡單的顏色過濾還是偏振過濾，每種濾光片都存在解決問題的目的；了解應該為特定應用使用哪種濾光片是非常重要的。