濾光片原理與應(yīng)用簡(jiǎn)析

使用濾光片可以讓相機(jī)能夠更好地選擇與傳感器接觸的光。濾光片的設(shè)計(jì)通常旨在阻擋一定量的光，無(wú)論是通過(guò)特定的光帶（一組顏色）還是通過(guò)消除潛在的眩光和提高對(duì)比度。無(wú)論哪種方式，濾光片的目的都是減少進(jìn)入相機(jī)的光。因此，在選擇合適的濾光片時(shí)需要考慮傳感器的靈敏度。

吸收型濾光片

吸收型濾光片旨在吸收特定波長(zhǎng)的光并透過(guò)其他波長(zhǎng)的光，從而使材料具有與其透過(guò)的光相對(duì)應(yīng)的顏色。利用玻璃內(nèi)發(fā)色成分的組合，吸收各種波長(zhǎng)的光。“發(fā)色”指的是一組被稱為發(fā)色團(tuán)的化學(xué)物質(zhì)，它們能夠吸收特定波長(zhǎng)范圍的光。

二向色濾光片

二向色濾光片不一定能在視覺(jué)上指示其透過(guò)的顏色。這是因?yàn)槎蛏珵V光片反射而不是吸收不需要的波長(zhǎng)的光。例如，下圖中的濾光片都能透過(guò)藍(lán)光（帶通為470nm）。但是，左側(cè)的濾光片看起來(lái)是綠色而不是藍(lán)色，因?yàn)樵摓V光片反射了不在帶通區(qū)域內(nèi)的其他波長(zhǎng)的光。右邊的濾光片是只透過(guò)藍(lán)光的吸收型濾光片。

二向色濾光片由具有一系列高折射率的薄玻璃層制成。按順序?qū)⑦@些玻璃層均勻地間隔起來(lái)，這些濾光片會(huì)產(chǎn)生特定的干涉圖樣。這使得干涉圖樣的作用是增強(qiáng)所需波長(zhǎng)的光并反射所有其他波長(zhǎng)的光?？梢酝ㄟ^(guò)控制光學(xué)涂層的選擇、厚度和數(shù)量來(lái)仔細(xì)調(diào)整圖樣，從而允許創(chuàng)造各種濾光片。利用水面上的油也可以看到類似的效果。當(dāng)油在水面聚集時(shí)，如下圖所示，看到的顏色來(lái)自不同油層，水中的每一層油反射特定波長(zhǎng)的光。

增透膜

濾光片有助于阻止不需要波長(zhǎng)的光到達(dá)傳感器，但任何濾光片仍會(huì)因反射而產(chǎn)生損耗。在光學(xué)系統(tǒng)中，需要最大限度地增加所需波長(zhǎng)的光以實(shí)現(xiàn)盡可能強(qiáng)的信號(hào)。任何濾光片甚至玻璃元件都會(huì)反射至少一小部分的光，從而導(dǎo)致信號(hào)損失。當(dāng)多個(gè)玻璃表面按順序放置在光路中時(shí)，例如多鏡頭系統(tǒng)，損失是由每個(gè)表面的反射相加而成。因?yàn)橥干渎实慕档?，光路中的每個(gè)表面都需要用增透（AR）膜進(jìn)行處理。

增透膜有助于減少各種場(chǎng)景中的眩光，例如夜間車輛的前照燈，這一功能對(duì)于智能交通系統(tǒng)（ITS）至關(guān)重要。眩光減少后，尋找要讀取車牌的光學(xué)字符識(shí)別（OCR）軟件的準(zhǔn)確性有所提高。自動(dòng)車牌識(shí)別（ALPR）系統(tǒng)的視覺(jué)示例如下圖所示，其中左側(cè)圖像是用配有增透膜的相機(jī)拍攝的，而右側(cè)圖像中出現(xiàn)大量反射。

偏振片

光通常以波長(zhǎng)來(lái)表示，但是這些波是如何定向的卻不是人們經(jīng)常考慮的問(wèn)題。光的傳播方式是由偏振決定的。來(lái)自太陽(yáng)或燈等最常見(jiàn)光源的光會(huì)發(fā)出非偏振光，這意味著這些波的振蕩方向不是單一的。然而，有幾種方法可以改變偏振。最常見(jiàn)的偏振光類型是水體、玻璃窗、瀝青等非金屬表面的反射。 在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，被反射的偏振光通常是不需要的，因?yàn)樗鼤?huì)引起眩光，使拍攝對(duì)象的細(xì)節(jié)更難辨別?？梢允褂闷駷V光片去除這種不需要的光。偏光片的工作原理是只透射特定偏振方式的光。

光源以混合偏振方式自然發(fā)光，并且通過(guò)偏光片，透射光的強(qiáng)度將降低，因?yàn)橹挥幸徊糠秩肷涔膺M(jìn)行適當(dāng)偏振后通過(guò)偏光片。與偏光片方向?qū)R的光將被完全透射，相反，任何垂直于濾光片的光都將被完全阻擋。任何在0°和90°之間的偏振光都將有一部分平行于偏光片對(duì)準(zhǔn)并透射。疊加起來(lái)，這些波長(zhǎng)的光總計(jì)為可用光的50%，或全部的可用光。因此，要注意的是，使用偏光片時(shí)需要對(duì)光圈、曝光時(shí)間或增益進(jìn)行補(bǔ)償，以解決透射光的減少。

下圖中，用繩子和尖樁柵欄分別類比光波和濾光片。如果繩子的一端系在柵欄的固定點(diǎn)上，而另一端來(lái)回移動(dòng)，繩子就會(huì)形成波浪。如果繩子要穿過(guò)尖樁柵欄，當(dāng)繩子沿著柵欄的方向來(lái)回運(yùn)動(dòng)時(shí)，波就會(huì)穿過(guò)柵欄。相反，如果繩子沿著垂直于柵欄的方向來(lái)回運(yùn)動(dòng)，則繩子上的波就不會(huì)穿過(guò)柵欄。

在機(jī)器視覺(jué)方面，偏振濾光片有許多實(shí)際應(yīng)用。由于這些濾光片能夠顯著減少眩光，因此可用于塑料、標(biāo)簽和其他非金屬表面的包裝檢查。下圖中的示例顯示了視覺(jué)系統(tǒng)中用于檢查白板標(biāo)記和包裝中清潔用品的偏振濾光片的效果。圖像說(shuō)明了將濾光片旋轉(zhuǎn)90°以顯示然后隱藏塑料包裝中眩光的效果。如果使用得當(dāng)，偏振濾光片可以去除大量眩光，從而提高信噪比。

雙帶通濾光片

雙帶通濾光片允許透射兩個(gè)不同的特定波長(zhǎng)區(qū)域。帶通濾光片通常與被視為多光譜成像設(shè)備的彩色相機(jī)一起使用。要在彩色相機(jī)上使用雙帶通濾光片，需要了解相機(jī)的彩色濾光片陣列（CFA）的效果。下圖中的圖形說(shuō)明了沒(méi)有紅外（IR）阻擋濾光片色彩平衡效果的彩色相機(jī)的典型響應(yīng)。

添加一個(gè)帶紅外濾光片的雙帶通濾光片可使相機(jī)通過(guò)三（紅、綠、藍(lán)）顏色通道瞄準(zhǔn)特定的光譜帶。下圖中的圖形說(shuō)明了可見(jiàn)光+近紅外（NIR）雙帶通濾光片的響應(yīng)。

下圖顯示475nm+850nm（藍(lán)光+NIR）濾光片的響應(yīng)要窄得多。

可見(jiàn)光+NIR濾光片的智能交通系統(tǒng)應(yīng)用

由于紅外阻擋濾光片，使用帶有紅外閃光燈的普通彩色相機(jī)根本無(wú)法工作。但是，用可見(jiàn)光+NIR雙帶通濾光片替換此濾光片可使相機(jī)阻擋大部分紅外光。這將利用相機(jī)對(duì)人眼不可見(jiàn)波長(zhǎng)的靈敏度。使用Lumenera Lt345RC彩色相機(jī)和MidOptDB850雙帶通濾光片、Kowa LM16JC5MM-IR紅外校正鏡頭和MetaphaseLRS725紅外燈創(chuàng)建一個(gè)演示系統(tǒng)。

紅外校正鏡頭用于確保其焦點(diǎn)在所有波長(zhǎng)處保持不變。如果使用非紅外校正鏡頭，將會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)不同的焦點(diǎn)，一個(gè)是白光下的圖像焦點(diǎn)，另一個(gè)是紅外光下的圖像焦點(diǎn)。紅外校正鏡頭通常需要添加元件來(lái)確保所有波長(zhǎng)的焦點(diǎn)會(huì)聚在出射光瞳后面的同一點(diǎn)。因此，紅外校正鏡頭通常比非校正鏡頭成本更高。然而，想要在不重新聚焦鏡頭的情況下在所有波長(zhǎng)處獲得清晰的圖像就必須使用紅外校正鏡頭。

演示系統(tǒng)可阻擋大部分近紅外光，以保持足夠的色彩精度，以便在白天正確識(shí)別車輛的顏色，而在夜間允許透射足夠的近紅外光，以清楚辨認(rèn)出車輛的牌照。演示系統(tǒng)和典型彩色相機(jī)的日間效果對(duì)比如下圖所示。

雖然由于白天有少量近紅外光進(jìn)入傳感器，因此無(wú)法完全保持色彩精度，但它仍然能夠正確識(shí)別正在成像的汽車的顏色。在放大的色卡中，人眼幾乎看不到色差。但是，汽車后方樹(shù)木的顏色差異更加明顯，因?yàn)闃?shù)木反射了大量的近紅外光以防止自身過(guò)熱。由于此應(yīng)用針對(duì)的是車輛，因此無(wú)需考慮植物的顏色變化。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的色彩精度，相機(jī)可以在白天使用色彩校正矩陣，以幫助抵消太陽(yáng)產(chǎn)生的近紅外光。

下圖說(shuō)明了夜間成像時(shí)紅外閃光燈如何顯示車牌上的細(xì)節(jié)，使其易于被光學(xué)字符識(shí)別軟件讀取。圖像本身看起來(lái)是黑白的，因?yàn)槊總€(gè)顏色通道的響應(yīng)在850nm處大致相同，并產(chǎn)生灰度類似的圖像。

藍(lán)色+NIR濾光片的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用

在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，通常使用特定的光譜帶對(duì)植物進(jìn)行成像，然后對(duì)圖像進(jìn)行分析。捕獲圖像的常見(jiàn)方法是在每個(gè)光譜帶使用一個(gè)黑白相機(jī)，每個(gè)相機(jī)上都有一個(gè)帶通濾光片，以分離所需的波長(zhǎng)。雖然這是首選的方法，因?yàn)榭臻g和光譜分辨率都得到了最大限度的提高，但也有通過(guò)使用雙帶通濾光片獲得類似結(jié)果的巧妙辦法。

使用一臺(tái)彩色相機(jī)和針對(duì)藍(lán)色和近紅外光譜帶的雙帶通濾光片。這個(gè)特殊的示例為計(jì)算歸一化植被指數(shù)（NDVI）提供了一個(gè)雙相機(jī)系統(tǒng)的替代方案，特別是在需要考慮尺寸和重量的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中使用時(shí)。NDVI評(píng)估植被反射的紅色和近紅外波長(zhǎng)之間的差異，以確定植物的健康狀況?？雌饋?lái)健康綠色的植物會(huì)反射大量的紅外光，以防止植物過(guò)熱，同時(shí)與光合作用中吸收的紅光和藍(lán)光相比，它們也會(huì)反射更多的綠光。

通過(guò)調(diào)整NDVI來(lái)測(cè)量藍(lán)光而不是紅光，相機(jī)就可以使用藍(lán)色通道來(lái)監(jiān)測(cè)光合作用吸收的光，用紅色通道來(lái)監(jiān)測(cè)反射的近紅外光。然后用紅色和藍(lán)色通道計(jì)算一個(gè)修正比率，以粗略估計(jì)NDVI的計(jì)算結(jié)果。結(jié)果將在-1到+1的范圍內(nèi)，其中負(fù)數(shù)往往對(duì)應(yīng)于無(wú)機(jī)材料。健康植被的結(jié)果通常介于0.2至0.8之間。為了便于可視化，將色圖用于NDVI圖像。下圖中的示例使用藍(lán)色表示負(fù)的NDVI值，從綠色到紅色表示正值。

帶通濾光片的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用

機(jī)器視覺(jué)在對(duì)比度要求高的領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，具有公差小、錯(cuò)誤少的特點(diǎn)。由于機(jī)器視覺(jué)通常以灰度為指標(biāo)，因此濾光片可以幫助增加兩個(gè)顏色相似物體之間的對(duì)比度或顯著突出顏色不同的物體。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，下圖顯示了一系列背照彩色凝膠膠囊，使用各種帶通濾光片成像以增加膠囊之間的對(duì)比度。

盡管膠囊顏色不同，但彩色凝膠膠囊之間的灰度強(qiáng)度差異非常接近。黃線用于說(shuō)明像素強(qiáng)度圖生成每個(gè)值的位置?；叶葟?qiáng)度的下降與每個(gè)膠囊相對(duì)應(yīng)。峰值代表每個(gè)膠囊之間的間隙。無(wú)論顏色如何，每個(gè)膠囊的強(qiáng)度值都非常接近，并且彼此相差不超過(guò)50灰度（DN）值。這表明對(duì)比度較差，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)很難區(qū)分不同的顏色，如下圖所示。

在成像系統(tǒng)中添加紅色帶通濾光片會(huì)顯著增加綠色和其他顏色膠囊之間的對(duì)比度，如下圖所示。綠色膠囊的強(qiáng)度值接近于零，而紅色和橙色膠囊的強(qiáng)度值遠(yuǎn)高于150DN。對(duì)比度的增強(qiáng)顯著提高了負(fù)責(zé)從橙色和紅色膠囊中分揀出綠色膠囊的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

如果系統(tǒng)需要區(qū)分橙色膠囊與綠色和紅色膠囊，則需要使用不同的濾光片。使用以590nm為中心的橙色帶通濾光片能夠在所有膠囊之間產(chǎn)生更大的對(duì)比度，如下圖所示。每種顏色膠囊的強(qiáng)度值分為三個(gè)不同的范圍，綠色膠囊的強(qiáng)度值在50以下，紅色膠囊的強(qiáng)度值在50到100之間，橙色膠囊的強(qiáng)度值在100到150之間。這是因?yàn)槌壬z囊在590nm范圍內(nèi)透射大量的光，而紅色膠囊透射部分光，綠色膠囊透射極少的光。

濾光輪的多光譜成像應(yīng)用

直接放在相機(jī)鏡頭前面的旋轉(zhuǎn)濾光輪可插入多個(gè)濾光片。使用黑白相機(jī)時(shí)，濾光輪旋轉(zhuǎn)將使傳感器暴露在一系列窄波長(zhǎng)范圍內(nèi)。每拍攝一張照片，濾光輪將按順序向前移動(dòng)一個(gè)濾光片。只要拍攝對(duì)象是靜止的，使用濾光輪就是進(jìn)行多光譜成像的好方法。光譜帶僅受可用濾光片數(shù)量的限制，可以定制二向色濾光片以具備特定的帶通寬度和波長(zhǎng)。

下圖中的示例顯示了在六個(gè)特定波長(zhǎng)處對(duì)兩株黃玫瑰進(jìn)行成像。植物和花吸收幾乎所有藍(lán)光并反射大量紅外光以防止自身過(guò)熱。這些花似乎同樣反射了大量的綠色、橙色、淺紅色和暗紅色的光，這就解釋了它們?yōu)槭裁纯雌饋?lái)是黃色。植物還吸收大量的紅光，吸收較少波長(zhǎng)接近525nm的光，使葉子呈綠色。預(yù)計(jì)健康植物的綠光反射率較高，表明正在進(jìn)行光合作用。對(duì)圖像進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)學(xué)計(jì)算可以進(jìn)行更深入的植物分析。例如，底部的兩張圖像可用于計(jì)算歸一化植被指數(shù)（NDVI）以確定植物的整體健康狀況。

還可以同樣的方式將濾光輪用于熒光顯微鏡檢查。使用二向色濾光塊，濾光輪可以將特定的激發(fā)波長(zhǎng)傳遞給樣品。然后，相機(jī)可以從樣品中捕獲偏移的熒光波長(zhǎng)。使用染色劑對(duì)樣品中的化合物進(jìn)行定性或定量檢測(cè)，并在不同激發(fā)波長(zhǎng)下捕獲2到6張圖像，以創(chuàng)建下圖所示的合成圖像。

審核編輯：劉清