過濾器技術(shù)的類型

機(jī)器視覺中有許多不同類型的濾光片，可以用來改善或改變被檢查對(duì)象的圖像。了解各種類型的過濾器背后的不同技術(shù)以了解它們的優(yōu)勢(shì)和局限性是很重要的。盡管濾光片種類繁多，但幾乎所有濾光片都可以分為兩大類：彩色玻璃濾光片和涂層干涉濾光片。

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，它是通過在玻璃材料中摻雜選擇性改變其吸收和透射光譜的元素而產(chǎn)生的。摻雜劑根據(jù)傳輸所考慮的波長(zhǎng)而變化，并且制造過程幾乎與標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)玻璃制造相同。彩色玻璃濾光片的優(yōu)勢(shì)有幾個(gè)原因：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)與廣角透鏡或以一定角度使用時(shí)，它們不會(huì)顯示出波長(zhǎng)傳輸?shù)娜魏纹?。然而，彩色玻璃濾光片通常也具有寬的波段切割，不具有像涂層干涉濾光片那樣尖銳或準(zhǔn)確的曲線，并且不具有像干涉濾光片那樣高的透射量。圖1顯示了幾種常見彩色玻璃濾光片的透射曲線。注意，濾光片具有寬的波段截止，并且具有描述其傳輸函數(shù)的相對(duì)較淺的斜率。

圖1：幾種不同顏色玻璃濾光片的透射曲線。

紅外（IR）截止濾光片可以是彩色玻璃濾光片，也可以是對(duì)單色和彩色相機(jī)都有用的涂層濾光片。由于大多數(shù)機(jī)器視覺相機(jī)中的硅傳感器對(duì)高達(dá)約1μm的波長(zhǎng)具有響應(yīng)能力，因此從頭頂熒光燈或其他不需要的光源入射到傳感器上的任何IR光都可能導(dǎo)致傳感器不準(zhǔn)確。在彩色相機(jī)上，紅外線會(huì)在傳感器上產(chǎn)生一種偽色，從而降低整體顏色再現(xiàn)能力。出于這個(gè)原因，許多彩色成像相機(jī)都標(biāo)配了紅外截止濾光片。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，但與彩色相機(jī)不同，IR截止濾光片通常不是內(nèi)置的。還有許多其他類型的彩色玻璃濾光片。例如，當(dāng)使用多色光源和顏色傳感器時(shí)，日光藍(lán)色濾光片可以用于顏色平衡。

涂層干涉濾光片

涂層濾光片通常比彩色玻璃濾光片提供更鋒利的接通和切斷轉(zhuǎn)換、更高的傳輸和更好的阻塞。除了彩色玻璃濾光片，還有一系列涂層濾光片，包括硬涂層熒光濾光片、二向色濾光片和偏振濾光片。每個(gè)帶涂層的過濾器都經(jīng)過獨(dú)特的制造工藝，以確保適當(dāng)?shù)男阅?。波長(zhǎng)選擇性濾光片是通過在高折射率和低折射率交替的特定襯底上沉積介電層來制造的。基板的表面質(zhì)量和均勻性建立了濾波器的基線光學(xué)質(zhì)量，同時(shí)設(shè)置了基板材料透射下降的波長(zhǎng)限制。與彩色玻璃濾光片相比，介電層通過在一系列波長(zhǎng)上產(chǎn)生相長(zhǎng)和相消干涉，并通過提供更清晰的截止和切帶，來產(chǎn)生濾光片的詳細(xì)光譜結(jié)構(gòu)。存在許多類型的硬涂層濾光片，例如帶通濾光片、長(zhǎng)通濾光片、短通濾光片和陷波濾光片，每種濾光片都具有特定的阻塞范圍和傳輸范圍。長(zhǎng)通濾光片被設(shè)計(jì)為阻擋短波長(zhǎng)并通過長(zhǎng)波長(zhǎng)。

短通濾光片則相反，通過較短的波長(zhǎng)，阻擋較長(zhǎng)的波長(zhǎng)。帶通濾光片通過一個(gè)波長(zhǎng)帶，同時(shí)阻擋位于通帶之外的較長(zhǎng)和較短波長(zhǎng)。帶通濾光片的反面是陷波濾光片，它阻擋一段波長(zhǎng)并通過更長(zhǎng)和更短的波長(zhǎng)。這些濾光片類型的傳輸曲線形狀如圖2所示。

圖2：長(zhǎng)通和短通（a）以及帶通和陷波濾波器（b）的傳輸曲線示例。

專為深度阻擋（高光密度）和陡坡（從阻擋到透射的急劇過渡）設(shè)計(jì)的濾光片在精確的光控制至關(guān)重要的應(yīng)用中重復(fù)使用。大多數(shù)機(jī)器視覺應(yīng)用不需要這種精度；通常，光密度（OD）為4或更大的任何濾光片都比要求的更精確并且增加了不必要的成本。由于硬涂層濾光片利用光學(xué)干涉來實(shí)現(xiàn)這種精確的傳輸和抑制帶，因此在機(jī)器視覺應(yīng)用中使用硬涂層濾光片會(huì)帶來困難。所有干涉濾光片都是為特定的入射角（AOI）設(shè)計(jì)的，通常為0°，除非另有特別指定。當(dāng)用于機(jī)器視覺時(shí)，這些濾光片通常放置在鏡頭前面；這樣做使得濾光片接受來自透鏡的角視場(chǎng)（AFOV）所規(guī)定的角度的光。特別是在短焦距（大AFOV）透鏡的情況下，透射通過濾光片的光通常會(huì)顯示出一種不想要的效果，稱為藍(lán)移。例如，4.5毫米寬角度焦距透鏡的藍(lán)移將比50毫米窄角度焦距透鏡大得多。隨著干涉濾光片上AOI的增加，通過濾光片層的光程長(zhǎng)度增加，這導(dǎo)致截止波長(zhǎng)和截止波長(zhǎng)減?。▓D3）。

圖3a：干涉濾光片的功能基于入射到濾光片上的光的傳播距離。在正確的入射角下，入射到濾光片上的光波會(huì)發(fā)生破壞性干涉，阻止它們通過濾光片。從不同的角度來看，相消干涉并沒有那么有效。

圖3b：藍(lán)移示例，顯示了在15?入射角下使用的帶通濾光片。不僅要注意向較低中心波長(zhǎng)的偏移，還要注意斜率的變淺。當(dāng)濾波器以0?入射角使用時(shí)，虛線曲線是理想的。

因此，在圖像中的不同場(chǎng)點(diǎn)，濾光片將通過傳輸不同的波長(zhǎng)范圍而表現(xiàn)出不同的行為：場(chǎng)中越遠(yuǎn)，藍(lán)移就越明顯。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濾波控制，但在使用帶有廣角鏡頭的干涉濾光片時(shí)要注意潛在的陷阱。

機(jī)器視覺中濾波片的應(yīng)用

在設(shè)計(jì)機(jī)器視覺系統(tǒng)時(shí)，增強(qiáng)被檢測(cè)對(duì)象感興趣特征的對(duì)比度是很重要的。濾波提供了一種簡(jiǎn)單的方法來增強(qiáng)圖像的對(duì)比度，同時(shí)阻擋不需要的照明。濾光片可以通過多種不同的方式增強(qiáng)對(duì)比度，濾光片類型取決于應(yīng)用程序。機(jī)器視覺中使用的一些常見濾光片有彩色玻璃、干涉、中性密度（ND）和偏振。彩色玻璃帶通濾光片是可用于大幅提高圖像質(zhì)量的一些最簡(jiǎn)單的濾光片。這些濾光片在縮小視覺系統(tǒng)可見的波段方面工作得非常好，而且通常比類似的干涉濾光片便宜。彩色玻璃濾光片在用于遮擋色輪另一側(cè)的顏色時(shí)效果最佳（圖4）。

圖4：色輪展示了暖色應(yīng)該用來過濾掉色輪另一側(cè)的冷色。

彩色濾光片

考慮圖5中所示的例子，其中正在檢查凝膠膠囊。如圖所示，兩個(gè)紅色膠囊位于一對(duì)綠色膠囊的外側(cè)，在白光背光下。

圖5：使用相同的視覺系統(tǒng)檢查的四個(gè)液體膠囊，如圖所示。

這是一種分揀應(yīng)用程序，藥丸需要按顏色分開才能到達(dá)各自的位置。用單色相機(jī)對(duì)膠囊進(jìn)行成像（圖6），綠色和紅色膠囊之間的對(duì)比度僅為8.7%，低于20%的最小建議對(duì)比度。在這個(gè)特定的例子中，環(huán)境光的微小波動(dòng)，例如個(gè)人走過系統(tǒng)，可以將已經(jīng)很低的8.7%的對(duì)比度值降低到足以使系統(tǒng)不再能夠正常操作的程度。這個(gè)問題有幾種解決方案：可以建造一個(gè)體積龐大、成本高昂的擋光系統(tǒng)來完全封閉檢查系統(tǒng)，可以重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整個(gè)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，最簡(jiǎn)單和最具成本效益的解決方案是使用綠色玻璃濾光片，以提高兩種不同顏色膠囊之間的對(duì)比度。如圖6所示，對(duì)比度從8.7%提高到86.5%：幾乎增加了10倍。

圖6：使用單色相機(jī)觀察膠囊，對(duì)比度為8.7%（a），使用單色相機(jī)和綠色濾光片觀察膠囊，對(duì)照度為86.5%（b）。

中性密度濾光片

中性密度濾光片用于某些應(yīng)用中，其中在不改變曝光時(shí)間或調(diào)整f/#的情況下對(duì)圖像的亮度進(jìn)行額外控制是有利的。盡管有兩種主要類型的中性密度濾光片（吸收和反射），但對(duì)圖像的影響是相同的：均勻地降低透射通過透鏡并到達(dá)傳感器上的光。對(duì)于像焊接這樣的應(yīng)用，無論曝光時(shí)間如何，成像器都可能過載，中性密度濾光片可以在不需要改變f/#的情況下提供必要的吞吐量下降（這可能會(huì)影響系統(tǒng)的分辨率）。特殊的中性密度濾光片，如變跡濾光片，有助于處理由物體的強(qiáng)烈反射引起的圖像中心的熱點(diǎn)，但光密度隨著距離濾光片中心的徑向距離而降低。

偏振濾光片

偏振濾光片是機(jī)器視覺應(yīng)用中使用的另一種常見類型的濾光片，可以更好地對(duì)鏡面物體進(jìn)行成像。要正確使用偏振濾光片，光源和透鏡上都必須有偏振濾光片。這些濾光片分別被稱為偏振器和分析器。圖7展示了偏振濾光器在觀察鏡面反射對(duì)象時(shí)如何發(fā)揮作用的示例。

圖7：無濾鏡拍攝的圖像（a）顯示高眩光，有偏振濾鏡（b）減少眩光。

在圖7a中，使用明場(chǎng)照明檢查CCD成像器，圖7b顯示了相同的照明設(shè)置，光源上有偏振器，透鏡上有分析儀。如圖7b所示，使用偏振器增強(qiáng)系統(tǒng)可提供卓越的性能，因?yàn)橥哥R上的濾光片會(huì)吸收強(qiáng)烈的反射。為了確保最大限度地抑制不必要的眩光，偏振器的偏振軸必須與透鏡上的偏振器偏振角成90°角。否則，透鏡仍會(huì)將一些強(qiáng)烈反射的光透射到系統(tǒng)中，從而導(dǎo)致眩光。至關(guān)重要的是要理解濾光片的存在是為了操縱圖像的對(duì)比度以幫助提高成像系統(tǒng)的精度。無論是通過顏色過濾還是通過偏振過濾，每個(gè)濾光片的存在都是為了解決一個(gè)獨(dú)特的問題；了解哪些濾光片應(yīng)該用于特定的應(yīng)用程序是很重要的.