過濾器技術的類型

機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象的圖像。了解各種類型的過濾器背后的不同技術以了解它們的優勢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生的。摻雜劑根據傳輸所考慮的波長而變化，并且制造過程幾乎與標準光學玻璃制造相同。彩色玻璃濾光片的優勢有幾個原因：與干涉濾光片相比，它們的成本相對較低，更重要的是，當與廣角透鏡或以一定角度使用時，它們不會顯示出波長傳輸的任何偏移。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的相對較淺的斜率。

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，也可以是對單色和彩色相機都有用的涂層濾光片。由于大多數機器視覺相機中的硅傳感器對高達約1μm的波長具有響應能力，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光都可能導致傳感器不準確。在彩色相機上，紅外線會在傳感器上產生一種偽色，從而降低整體顏色再現能力。出于這個原因，許多彩色成像相機都標配了紅外截止濾光片。對于單色相機，IR光的存在會降低整體圖像的對比度，但與彩色相機不同，IR截止濾光片通常不是內置的。還有許多其他類型的彩色玻璃濾光片。例如，當使用多色光源和顏色傳感器時，日光藍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。每個帶涂層的過濾器都經過獨特的制造工藝，以確保適當的性能。波長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。基板的表面質量和均勻性建立了濾波器的基線光學質量，同時設置了基板材料透射下降的波長限制。與彩色玻璃濾光片相比，介電層通過在一系列波長上產生相長和相消干涉，并通過提供更清晰的截止和切帶，來產生濾光片的詳細光譜結構。存在許多類型的硬涂層濾光片，例如帶通濾光片、長通濾光片、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。長通濾光片被設計為阻擋短波長并通過長波長。

短通濾光片則相反，通過較短的波長，阻擋較長的波長。帶通濾光片通過一個波長帶，同時阻擋位于通帶之外的較長和較短波長。帶通濾光片的反面是陷波濾光片，它阻擋一段波長并通過更長和更短的波長。這些濾光片類型的傳輸曲線形狀如圖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）設計的濾光片在精確的光控制至關重要的應用中重復使用。大多數機器視覺應用不需要這種精度；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干涉來實現這種精確的傳輸和抑制帶，因此在機器視覺應用中使用硬涂層濾光片會帶來困難。所有干涉濾光片都是為特定的入射角（AOI）設計的，通常為0°，除非另有特別指定。當用于機器視覺時，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（AFOV）所規定的角度的光。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顯示出一種不想要的效果，稱為藍移。例如，4.5毫米寬角度焦距透鏡的藍移將比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度增加，這導致截止波長和截止波長減小（圖3）。

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發生破壞性干涉，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的偏移，還要注意斜率的變淺。當濾波器以0?入射角使用時，虛線曲線是理想的。

因此，在圖像中的不同場點，濾光片將通過傳輸不同的波長范圍而表現出不同的行為：場中越遠，藍移就越明顯。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濾波控制，但在使用帶有廣角鏡頭的干涉濾光片時要注意潛在的陷阱。

機器視覺中濾波片的應用

在設計機器視覺系統時，增強被檢測對象感興趣特征的對比度是很重要的。濾波提供了一種簡單的方法來增強圖像的對比度，同時阻擋不需要的照明。濾光片可以通過多種不同的方式增強對比度，濾光片類型取決于應用程序。機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量的一些最簡單的濾光片。這些濾光片在縮小視覺系統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的顏色時效果最佳（圖4）。

圖4：色輪展示了暖色應該用來過濾掉色輪另一側的冷色。

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，兩個紅色膠囊位于一對綠色膠囊的外側，在白光背光下。

圖5：使用相同的視覺系統檢查的四個液體膠囊，如圖所示。

這是一種分揀應用程序，藥丸需要按顏色分開才能到達各自的位置。用單色相機對膠囊進行成像（圖6），綠色和紅色膠囊之間的對比度僅為8.7%，低于20%的最小建議對比度。在這個特定的例子中，環境光的微小波動，例如個人走過系統，可以將已經很低的8.7%的對比度值降低到足以使系統不再能夠正常操作的程度。這個問題有幾種解決方案：可以建造一個體積龐大、成本高昂的擋光系統來完全封閉檢查系統，可以重新設計系統的整個照明方案，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，最簡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比度。如圖6所示，對比度從8.7%提高到86.5%：幾乎增加了10倍。

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

中性密度濾光片

中性密度濾光片用于某些應用中，其中在不改變曝光時間或調整f/#的情況下對圖像的亮度進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），但對圖像的影響是相同的：均勻地降低透射通過透鏡并到達傳感器上的光。對于像焊接這樣的應用，無論曝光時間如何，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（這可能會影響系統的分辨率）。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烈反射引起的圖像中心的熱點，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

偏振濾光片是機器視覺應用中使用的另一種常見類型的濾光片，可以更好地對鏡面物體進行成像。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。

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，透鏡仍會將一些強烈反射的光透射到系統中，從而導致眩光。至關重要的是要理解濾光片的存在是為了操縱圖像的對比度以幫助提高成像系統的精度。無論是通過顏色過濾還是通過偏振過濾，每個濾光片的存在都是為了解決一個獨特的問題；了解哪些濾光片應該用于特定的應用程序是很重要的.

審核編輯：黃飛