如何正確選擇照明和光學元件以增加捕獲圖像的對比度

通過使用濾鏡，可以減少拍攝圖像的對比度，減少圖像處理時間。

機器視覺系統(tǒng)現在在許多工廠自動化系統(tǒng)中很常見。 在構建這些系統(tǒng)時，開發(fā)人員必須仔細評估要檢查的產品類型，以及如何正確選擇照明和光學元件以增加捕獲圖像的對比度。 在此過程中，機器視覺系統(tǒng)的吞吐量將得到改善，因為處理所捕獲的圖像以提取相關信息所用的時間將更少。

然而，在開始任何特定應用的任何特定照明選擇之前，了解應使用何種類型的照明系統(tǒng)是重要的。 今天，許多制造商根據要檢查的產品的類型提供各種類型的LED照明產品。 例如，盡管平坦的漫反射表面可能最好使用環(huán)形光照射，但是平坦的鏡面物體可能需要漫射的軸上光源或陰天照明器來增加要檢查的特征的對比度。

雖然這種照明的選擇是重要的，選擇光波長來照亮部分也是重要的。 使用哪個頻率將取決于部件的屬性，因為這將決定哪些波長將被反射和吸收。 通過選擇與要提取的感興趣特征相匹配的波長并選擇相同顏色的光源，該特征將顯得更亮，反之亦然。

系統(tǒng)開發(fā)人員可以選擇使用光學濾波器來執(zhí)行此任務，而不是嘗試多個波長。 例如，通過用廣譜白光照明物體，帶通濾波器可以放置在相機的前面以選擇提供最佳對比度的特定波長。 以這種方式，可以廉價地確定照明波長的正確選擇。

中性密度

光學濾光片在減少發(fā)光強度，增加系統(tǒng)分辨率，消除眩光，分離顏色，色彩校正以及當然增加被成像物體的對比度方面也證明是有用的。 在機器視覺應用中，例如電弧焊接檢測，可能需要減少相機捕獲的光量。 在這樣的應用中，可以使用中性密度（ND）濾光片來均等地減少所有波長的光。 使用這種濾光片，可以部署具有較大光圈的照相機，從而減小場景的景深，從而更好地將物體圖像與背景分離。

許多制造商根據它們的光密度（OD） - 通過濾光器傳輸的光功率 - 在數學上給出如OD = -Log10（Im / In）來指定這些濾光片的特性，其中Im是測量的強度，In是事件強度。 因此，例如，具有0.5的分數透射率（Im / In）的中性密度濾光器將具有0.3的光密度。 一些ND濾光片是在光譜的可見區(qū)域內指定的，并且不會按比例阻擋UV或IR的所有波長。 這在使用CCD或CMOS成像器的機器視覺系統(tǒng)中可能是重要的，這些成像器在UV和IR區(qū)域都可能是敏感的。

正因為如此，許多公司提供這種特別為機器視覺和科學應用定制的ND濾光片。 例如，Edmund Optics公司的TECHSPEC UV-NIR中性密度濾光片可以將光線從紫外線衰減到NIR（190-1700 nm），并且可以提供12.5,25和50 mm的直徑尺寸以及0.3,0.5的光學密度，1.0,1.3,1.5和2.0。

帶通濾波器

雖然中性密度濾光片用于減少照相機傳感器上的光線，但是可以使用帶通濾光片來增加圖像對比度，同時選擇性地使波長在一定范圍內。 由于光學系統(tǒng)的軸向或軸向色差將減小，所以圖像對比度有效地增加。 在表現出這種軸向色差的系統(tǒng)中，透鏡的折射率隨波長而變化很小。 由于對于藍光（較短的波長），透鏡的折射率比紅光（較長的波長）大，所以不同的波長將沿著軸線聚焦在不同的焦點上（圖1）。

圖1：出現色差是因為對于藍光（較短的波長），透鏡的折射率比紅光（較長的波長）更大。 不同的波長將被聚焦在沿軸線的不同焦點上。

系統(tǒng)設計人員可以通過選擇消色差或消色差透鏡將兩個或三個波長的光線分別聚焦在同一平面上來補償這種影響。 使用較便宜的鏡頭，也可以使用消除UV和IR光譜的帶通濾波器來減少這種類型的色差。 在許多成像應用中，這種帶通濾波器被用于增強圖像內特定特征的對比度。

如果這個特征的顏色是已知的，正確選擇照明和過濾器可以使用黑白攝像機來增加所需物體的對比度（圖2）。 在這里，來自中西部光學系統(tǒng)的許多綠色，藍色和紅色帶通濾波器被用于過濾用白光照亮的推針的圖像。 可以看出，使用這些濾波器可以選擇性地突出每種顏色。 在這種應用中使用單色相機而不是彩色相機的另一個好處是可以獲得更高的分辨率。

圖2：來自中西部光學系統(tǒng)的綠色，藍色和紅色帶通濾波器用于過濾用白光照射的推針的圖像。 可以看出，使用這些濾波器可以選擇性地突出每種顏色。 （a）原始圖像（b）沒有濾波器的環(huán)境光（c）淡綠色帶通濾波器（d）暗紅色帶通濾波器（e）藍色帶通濾波器。

如今，大多數為機器視覺系統(tǒng)開發(fā)的彩色相機都使用單色成像器，拜耳濾波器陣列將紅色，綠色和藍色光傳遞給選定的像素。 為了獲得彩色圖像，然后在相機中執(zhí)行拜耳（Bayer）插值算法（通常在FPGA中）。 這種插值會導致質量稍差的彩色圖像，而分辨率和邊緣偽像會丟失。

然而，使用具有彩色濾光片的單色相機，不需要這樣的內插，并且所捕獲的圖像的分辨率將會提高，所有其他參數相等。 在指定這些帶通濾波器時，濾波器制造商為其客戶提供許多重要特性，包括光密度（OD），峰值傳輸，中心波長，濾波器帶寬和阻塞范圍。

雖然峰值傳輸提供了最大光傳輸的波長，但是帶寬是半功率波長之間的差異或半峰全寬FWHM（圖3）。 例如，Schneider Optics的帶通濾波器在465 nm至865 nm范圍內可用，半峰寬從50 nm到100 nm，直徑74毫米。

圖3：峰值傳輸提供了最大光傳輸的波長，帶寬是半功率波長或半高全寬（FWHM）之間的差值。

色度技術公司還生產具有方波透射分布的濾光片，在一系列波長范圍內提供相同的峰值透射率。 這些濾波器通常提供95％的傳輸，對不需要的波長（≥OD6）具有很高的抑制水平。

減少眩光

盡管可以使用專用透鏡或帶通濾波器來減少色差并增加圖像中物體的對比度，但是使用專門的照明（例如陰天照明裝置）可以減少直接高強度光反射的影響并且在使用軸上照明時可能導致眩光。 在系統(tǒng)光路中采用光學偏振濾光片，也可以減少這種眩光。

通過在光源前放置一個偏振器，光線將變成線性偏振。 從物體直接反射的光也將被線性偏振，而任何漫射光將被反射為非偏振。 因此，通過在相機前面放置第二個偏振器，只有漫反射光會被成像，減少眩光。 盡管使用這樣的偏振器將衰減來自鏡面的直接反射，但是通過完美偏振器的非偏振光將衰減通過它的50％的光，并降低正被成像的物體上的光的強度。 根據被成像物體的結構，反射光也會被衰減。

這種線性偏振濾光器由它們透射的光的百分比來指定。 這些偏振器的數據表顯示了偏振器如何以單一，平行和交叉配置使用。 這里，單個偏振器的透光率顯示了通過單個偏振器的光的百分比，而平行配置將采用兩個偏振器的偏振軸在相同方向上對齊。

如果兩個偏振器的偏振軸以90度交叉，則光通過光學系統(tǒng)的光線將少得多（圖4）。 在這個例子中，來自Newport的可見偏振器的透射圖被示出為單個，平行和交叉配置。

圖4：偏振器的透射圖表顯示了在單一，平行和交叉配置中使用濾波器的效果