在機(jī)器視覺中的濾光片

在機(jī)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(shù)，以了解它們的優(yōu)勢(shì)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(jī)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(zhǎng)，制造過程與標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)玻璃制造幾乎相同。彩色玻璃濾光片有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：與干涉濾光片相比，它們的成本相對(duì)較低，更重要的是，當(dāng)與廣角鏡頭或以一定角度使用時(shí)，它們不會(huì)顯示出任何波長(zhǎng)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(zhǔn)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(qǐng)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(shù)的斜率相對(duì)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(duì)于機(jī)器視覺應(yīng)用中的單色和彩色相機(jī)都十分有用。由于大多數(shù)機(jī)器視覺相機(jī)中的硅傳感器對(duì)波長(zhǎng)高達(dá)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(chǎn)生不準(zhǔn)確。在彩色相機(jī)中，IR光會(huì)在傳感器上產(chǎn)生一種虛假的顏色，從而降低整體顏色再現(xiàn)。出于這個(gè)原因，許多彩色成像相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置是在傳感器上安裝IR截止濾光片。對(duì)于單色相機(jī)，IR光的存在會(huì)降低整體圖像的對(duì)比度。

此外，還有許多其他類型的有色玻璃濾光片。例如，當(dāng)使用多色光源和彩色傳感器時(shí)，可以使用日光藍(lán)濾光片進(jìn)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(jīng)過較好的制造工藝，以確保其性能。波長(zhǎng)選擇光學(xué)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(zhì)量和均勻性為濾光片建立了基本的光學(xué)質(zhì)量基準(zhǔn)，同時(shí)設(shè)置了基板材料透射率下降的波長(zhǎng)限制。介電層通過在一系列波長(zhǎng)上產(chǎn)生建設(shè)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(chǎn)生濾光片的詳細(xì)光譜結(jié)構(gòu)。

許多類型的硬鍍膜濾光片存在，如帶通、長(zhǎng)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(zhǎng)通濾光片設(shè)計(jì)用于阻擋短波長(zhǎng)并透射長(zhǎng)波長(zhǎng)。短通濾光片與之相反，透射較短的波長(zhǎng)并阻擋較長(zhǎng)的波長(zhǎng)。帶通濾光片透射一段波長(zhǎng)，同時(shí)阻擋更長(zhǎng)和更短的波長(zhǎng)。帶通濾光片的逆是陷波濾光片，它阻擋一段波長(zhǎng)并透射更長(zhǎng)和更短的波長(zhǎng)。這些濾光片類型的透射曲線形狀如圖2所示。

圖2：長(zhǎng)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(shè)計(jì)的濾光片用于需要精確光控制的應(yīng)用。大多數(shù)機(jī)器視覺應(yīng)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(xué)干涉來實(shí)現(xiàn)如此精確的透射和截止帶，因此在機(jī)器視覺應(yīng)用中使用它們會(huì)引起一些困難。所有干涉濾光片都是針對(duì)特定的入射角（AOI）設(shè)計(jì)的，通常為0°，除非另有明確定義。在機(jī)器視覺中使用時(shí)，這些濾光片通常放置在鏡頭前面；這樣做會(huì)導(dǎo)致濾光片接受由鏡頭的視場(chǎng)角度決定的光線角度。特別是在短焦距（大視場(chǎng)角度）鏡頭的情況下，通過濾光片透射的光通常會(huì)顯示一種稱為藍(lán)移的不期望效果。例如，一個(gè)4.5mm焦距鏡頭（廣角）將具有比50mm焦距鏡頭（窄角）更大的藍(lán)移。隨著干涉濾光片的入射角增加，通過濾光片層的光路長(zhǎng)度增加，導(dǎo)致開啟和關(guān)閉波長(zhǎng)減小（圖3）。因此，在圖像中的不同場(chǎng)點(diǎn)上，濾光片會(huì)以不同的波長(zhǎng)范圍進(jìn)行透射：場(chǎng)越遠(yuǎn)，藍(lán)移越明顯。在大多數(shù)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(shí)要注意潛在的陷阱。

圖3b：藍(lán)移的一個(gè)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(zhǎng)向較低波長(zhǎng)方向移動(dòng)，而且斜率也變淺。虛線曲線是理想的，當(dāng)濾光片在0°入射角下使用時(shí)。

應(yīng)用與機(jī)器視覺濾光片

在設(shè)計(jì)機(jī)器視覺系統(tǒng)時(shí)，增強(qiáng)被檢查對(duì)象感興趣特征的對(duì)比度非常重要。有關(guān)對(duì)比度的簡(jiǎn)介，請(qǐng)參閱我們的應(yīng)用說明。濾光片提供了一種簡(jiǎn)單的方式來增強(qiáng)圖像的對(duì)比度，同時(shí)阻擋不需要的照明。有許多不同的濾光片可以增強(qiáng)對(duì)比度，濾光片類型取決于應(yīng)用。機(jī)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(zhì)量的較簡(jiǎn)單濾光片之一。這些濾光片在縮小視覺系統(tǒng)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(duì)側(cè)的顏色時(shí)效果較佳（圖4）。

圖4：色輪展示，暖色應(yīng)被用來過濾掉色輪相對(duì)側(cè)的冷色。

顏色濾光片

請(qǐng)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(duì)綠色膠囊的外側(cè)有兩個(gè)紅色膠囊，并在白色背光下。這是一個(gè)需要按顏色分離藥片以到達(dá)各自位置的分類應(yīng)用。使用單色相機(jī)（圖6）對(duì)膠囊進(jìn)行成像，綠色和紅色膠囊之間的對(duì)比度僅為8.7%，低于建議的較小對(duì)比度20%。

圖5：使用相同視覺系統(tǒng)檢查的四個(gè)液體膠囊，此處以彩色顯示。

圖6：用單色相機(jī)觀察的膠囊，產(chǎn)生8.7%的對(duì)比度。

在這個(gè)特定的示例中，環(huán)境光線的微小波動(dòng)，例如個(gè)體經(jīng)過系統(tǒng)，可以降低已經(jīng)很低的對(duì)比度值8.7%，以至于系統(tǒng)不再能夠正常運(yùn)行。這個(gè)問題存在幾種解決方案：可以構(gòu)建一個(gè)龐大且昂貴的光屏蔽系統(tǒng)來包圍檢查系統(tǒng)，可以重新設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的照明方案，或者可以添加一個(gè)濾光片來增強(qiáng)綠色和紅色藥丸之間的對(duì)比度。在這種情況下，較簡(jiǎn)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(duì)比度。如圖7所示，對(duì)比度從8.7%提高到86.5%：增加了近10倍。

圖7：使用單色相機(jī)和綠色濾光片觀察膠囊，產(chǎn)生的對(duì)比度為86.5%。

中性密度濾光片

中性密度濾光片在某些應(yīng)用中被使用，在這些應(yīng)用中，在不改變曝光時(shí)間和調(diào)整f/#的情況下，對(duì)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(zé)是相同的：均勻地降低通過鏡頭傳輸?shù)絺鞲衅鞯墓狻?duì)于像焊接這樣的應(yīng)用，無論曝光時(shí)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(huì)影響系統(tǒng)的分辨率）的情況下提供必要的吞吐量下降。專業(yè)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(qiáng)烈反射而在圖像中心產(chǎn)生的熱點(diǎn)問題，但是光學(xué)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(jī)器視覺應(yīng)用中常用的另一種濾光片，因?yàn)樗鼈兛梢愿玫爻上耒R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(shí)如何產(chǎn)生差異的例子。在圖8a中，CCD圖像儀正在用明場(chǎng)照明進(jìn)行檢查，而圖8b顯示了相同的照明設(shè)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(tǒng)中加入偏光片，由于鏡頭上的濾光片吸收了強(qiáng)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(duì)齊，否則，鏡頭仍然會(huì)將一些強(qiáng)烈反射的光傳輸?shù)较到y(tǒng)中，導(dǎo)致眩光。

理解濾光片存在的目的是操縱圖像的對(duì)比度，以幫助提高成像系統(tǒng)的準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的。無論是簡(jiǎn)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(yīng)該為特定應(yīng)用使用哪種濾光片是非常重要的。