在机器视觉中的滤光片

在机器视觉中的滤光片

在机器视觉中，有许多不同类型的滤光片可以用于改善或改变被检查物体的图像。理解各种类型滤光片背后的不同技术，以了解它们的优势和局限性，是非常重要的。尽管滤光片种类繁多，但几乎所有滤光片都可以归为两大类：彩色玻璃滤光片和镀膜滤光片。

彩色玻璃滤光片

彩色玻璃滤光片在机器视觉中非常常见，它们通过掺杂玻璃材料来选择性地改变其吸收和透射光谱。掺杂剂的选择基于考虑的透射波长，制造过程与标准的光学玻璃制造几乎相同。彩色玻璃滤光片有几个优点：与干涉滤光片相比，它们的成本相对较低，更重要的是，当与广角镜头或以一定角度使用时，它们不会显示出任何波长透射的变化。然而，彩色玻璃滤光片通常具有较宽的截止波段，其曲线不像镀膜干涉滤光片那样尖锐或准确，并且其透射率（百分比）也不如干涉滤光片高。图1显示了几种常见的彩色玻璃滤光片的透射曲线。请注意，这些滤光片具有较宽的截止波段，并且描述其透过率函数的斜率相对较浅。

图1：几种不同颜色的玻璃滤光片的透射曲线

红外（IR）截止滤光片可以是有色玻璃滤光片，也可以是镀膜滤光片，对于机器视觉应用中的单色和彩色相机都十分有用。由于大多数机器视觉相机中的硅传感器对波长高达约1μm的光线敏感，因此任何可能由头顶荧光灯或其他不需要的光源引起的入射到传感器上的IR光都可能在传感器上产生不准确。在彩色相机中，IR光会在传感器上产生一种虚假的颜色，从而降低整体颜色再现。出于这个原因，许多彩色成像相机的标准配置是在传感器上安装IR截止滤光片。对于单色相机，IR光的存在会降低整体图像的对比度。

此外，还有许多其他类型的有色玻璃滤光片。例如，当使用多色光源和彩色传感器时，可以使用日光蓝滤光片进行色彩平衡。

镀膜干涉滤光片

镀膜滤光片通常提供更锐利的截止过渡、更高的透射率和更好的阻挡效果，比彩色玻璃滤光片更好。除了彩色玻璃滤光片外，还有一系列镀膜滤光片，从硬镀膜荧光滤光片到二向色滤光片到偏振滤光片不等。每种镀膜滤光片都经过较好的制造工艺，以确保其性能。波长选择光学滤光片是通过在具有交替高和低折射率的特定基板上沉积介电层来制造的。基板的表面质量和均匀性为滤光片建立了基本的光学质量基准，同时设置了基板材料透射率下降的波长限制。介电层通过在一系列波长上产生建设性和破坏性的干涉，以及与彩色玻璃滤光片相比提供更锐利的截止带和通带，从而产生滤光片的详细光谱结构。

许多类型的硬镀膜滤光片存在，如带通、长通、短通和陷波滤光片，每种都有需要的阻挡范围和透射范围。长通滤光片设计用于阻挡短波长并透射长波长。短通滤光片与之相反，透射较短的波长并阻挡较长的波长。带通滤光片透射一段波长，同时阻挡更长和更短的波长。带通滤光片的逆是陷波滤光片，它阻挡一段波长并透射更长和更短的波长。这些滤光片类型的透射曲线形状如图2所示。

图2：长通和短通（a）以及带通和陷波滤光片的透过率曲线示例（b）

为深度阻挡（高光密度）和陡峭坡度（阻挡到透射的急剧过渡）设计的滤光片用于需要精确光控制的应用。大多数机器视觉应用不需要这种精度；通常，任何光密度（OD）为4或更高的滤光片比所需的精度更高，并且增加了不必要的成本。

由于硬镀膜滤光片利用光学干涉来实现如此精确的透射和截止带，因此在机器视觉应用中使用它们会引起一些困难。所有干涉滤光片都是针对特定的入射角（AOI）设计的，通常为0°，除非另有明确定义。在机器视觉中使用时，这些滤光片通常放置在镜头前面；这样做会导致滤光片接受由镜头的视场角度决定的光线角度。特别是在短焦距（大视场角度）镜头的情况下，通过滤光片透射的光通常会显示一种称为蓝移的不期望效果。例如，一个4.5mm焦距镜头（广角）将具有比50mm焦距镜头（窄角）更大的蓝移。随着干涉滤光片的入射角增加，通过滤光片层的光路长度增加，导致开启和关闭波长减小（图3）。因此，在图像中的不同场点上，滤光片会以不同的波长范围进行透射：场越远，蓝移越明显。在大多数情况下，干涉滤光片仍然可以提供比彩色玻璃滤光片更好的过滤控制，但在使用广角镜头时要注意潜在的陷阱。

图3b：蓝移的一个例子，显示了在15°入射角下使用的带通滤光片。注意不仅中心波长向较低波长方向移动，而且斜率也变浅。虚线曲线是理想的，当滤光片在0°入射角下使用时。

应用与机器视觉滤光片

在设计机器视觉系统时，增强被检查对象感兴趣特征的对比度非常重要。有关对比度的简介，请参阅我们的应用说明。滤光片提供了一种简单的方式来增强图像的对比度，同时阻挡不需要的照明。有许多不同的滤光片可以增强对比度，滤光片类型取决于应用。机器视觉中常用的一些滤光片是彩色玻璃、干涉、中性密度（ND）和偏振。

彩色玻璃带通滤光片是可用于显著改善图像质量的较简单滤光片之一。这些滤光片在缩小视觉系统可见的波段方面效果非常好，并且通常比类似的干涉滤光片便宜。彩色玻璃滤光片在阻挡色轮相对侧的颜色时效果较佳（图4）。

图4：色轮展示，暖色应被用来过滤掉色轮相对侧的冷色。

颜色滤光片

请考虑图5中所示的例子，其中正在检查凝胶胶囊。如图所示，一对绿色胶囊的外侧有两个红色胶囊，并在白色背光下。这是一个需要按颜色分离药片以到达各自位置的分类应用。使用单色相机（图6）对胶囊进行成像，绿色和红色胶囊之间的对比度仅为8.7%，低于建议的较小对比度20%。

图5：使用相同视觉系统检查的四个液体胶囊，此处以彩色显示。

图6：用单色相机观察的胶囊，产生8.7%的对比度。

在这个特定的示例中，环境光线的微小波动，例如个体经过系统，可以降低已经很低的对比度值8.7%，以至于系统不再能够正常运行。这个问题存在几种解决方案：可以构建一个庞大且昂贵的光屏蔽系统来包围检查系统，可以重新设计整个系统的照明方案，或者可以添加一个滤光片来增强绿色和红色药丸之间的对比度。在这种情况下，较简单和较具成本效益的解决方案是使用绿色玻璃滤光片来改善两种不同颜色胶囊之间的对比度。如图7所示，对比度从8.7%提高到86.5%：增加了近10倍。

图7：使用单色相机和绿色滤光片观察胶囊，产生的对比度为86.5%。

中性密度滤光片

中性密度滤光片在某些应用中被使用，在这些应用中，在不改变曝光时间和调整f/#的情况下，对图像的亮度有额外的控制是有利的。尽管有两种主要的中性密度滤光片（吸收和反射），它们的总体职责是相同的：均匀地降低通过镜头传输到传感器的光。对于像焊接这样的应用，无论曝光时间如何，图像器都可能过载，中性密度滤光片可以在不需要改变f/#（这可能会影响系统的分辨率）的情况下提供必要的吞吐量下降。专业中性密度滤光片，如变迹滤光片，存在的目的是帮助解决由于物体的强烈反射而在图像中心产生的热点问题，但是光学密度随着距离滤光片中心的距离而减小。

偏振滤光片

偏振滤光片是机器视觉应用中常用的另一种滤光片，因为它们可以更好地成像镜面反射物体。为了正确使用偏振滤光片，光源和镜头上都要有偏振滤光片是很重要的。这些滤光片分别被称为起偏器和检偏器。图8展示了偏振滤光片在观察镜面反射物体时如何产生差异的例子。在图8a中，CCD图像仪正在用明场照明进行检查，而图8b显示了相同的照明设置，但光源上有偏振滤光片，镜头上有检偏器。

图8：未使用滤光片拍摄的图像（a）显示高反光，而使用偏振滤光片拍摄的图像（b）减少了反光。

正如图8b所示，通过在系统中加入偏光片，由于镜头上的滤光片吸收了强烈的反射，从而提供了优越的性能。为了确保较大程度地消除不需要的眩光，光源上的偏光片必须与其偏振轴与镜头上的偏光片的偏振轴成90°角对齐，否则，镜头仍然会将一些强烈反射的光传输到系统中，导致眩光。

理解滤光片存在的目的是操纵图像的对比度，以帮助提高成像系统的准确性是至关重要的。无论是简单的颜色过滤还是偏振过滤，每种滤光片都存在解决问题的目的；了解应该为特定应用使用哪种滤光片是非常重要的。