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如何正确选择照明和光学元件以增加捕获图像的对比度

通过使用滤镜,可以减少拍摄图像的对比度,减少图像处理时间。

机器视觉系统现在在许多工厂自动化系统中很常见。 在构建这些系统时,开发人员必须仔细评估要检查的产品类型,以及如何正确选择照明和光学元件以增加捕获图像的对比度。 在此过程中,机器视觉系统的吞吐量将得到改善,因为处理所捕获的图像以提取相关信息所用的时间将更少。

然而,在开始任何特定应用的任何特定照明选择之前,了解应使用何种类型的照明系统是重要的。 今天,许多制造商根据要检查的产品的类型提供各种类型的LED照明产品。 例如,尽管平坦的漫反射表面可能最好使用环形光照射,但是平坦的镜面物体可能需要漫射的轴上光源或阴天照明器来增加要检查的特征的对比度。

虽然这种照明的选择是重要的,选择光波长来照亮部分也是重要的。 使用哪个频率将取决于部件的属性,因为这将决定哪些波长将被反射和吸收。 通过选择与要提取的感兴趣特征相匹配的波长并选择相同颜色的光源,该特征将显得更亮,反之亦然。

系统开发人员可以选择使用光学滤波器来执行此任务,而不是尝试多个波长。 例如,通过用广谱白光照明物体,带通滤波器可以放置在相机的前面以选择提供最佳对比度的特定波长。 以这种方式,可以廉价地确定照明波长的正确选择。  

中性密度

光学滤光片在减少发光强度,增加系统分辨率,消除眩光,分离颜色,色彩校正以及当然增加被成像物体的对比度方面也证明是有用的。 在机器视觉应用中,例如电弧焊接检测,可能需要减少相机捕获的光量。 在这样的应用中,可以使用中性密度(ND)滤光片来均等地减少所有波长的光。 使用这种滤光片,可以部署具有较大光圈的照相机,从而减小场景的景深,从而更好地将物体图像与背景分离。

许多制造商根据它们的光密度(OD) - 通过滤光器传输的光功率 - 在数学上给出如OD = -Log10(Im / In)来指定这些滤光片的特性,其中Im是测量的强度,In是事件强度。 因此,例如,具有0.5的分数透射率(Im / In)的中性密度滤光器将具有0.3的光密度。 一些ND滤光片是在光谱的可见区域内指定的,并且不会按比例阻挡UV或IR的所有波长。 这在使用CCD或CMOS成像器的机器视觉系统中可能是重要的,这些成像器在UV和IR区域都可能是敏感的。

正因为如此,许多公司提供这种特别为机器视觉和科学应用定制的ND滤光片。 例如,Edmund Optics公司的TECHSPEC UV-NIR中性密度滤光片可以将光线从紫外线衰减到NIR(190-1700 nm),并且可以提供12.5,25和50 mm的直径尺寸以及0.3,0.5的光学密度,1.0,1.3,1.5和2.0。

带通滤波器

虽然中性密度滤光片用于减少照相机传感器上的光线,但是可以使用带通滤光片来增加图像对比度,同时选择性地使波长在一定范围内。 由于光学系统的轴向或轴向色差将减小,所以图像对比度有效地增加。 在表现出这种轴向色差的系统中,透镜的折射率随波长而变化很小。 由于对于蓝光(较短的波长),透镜的折射率比红光(较长的波长)大,所以不同的波长将沿着轴线聚焦在不同的焦点上(图1)。

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图1:出现色差是因为对于蓝光(较短的波长),透镜的折射率比红光(较长的波长)更大。 不同的波长将被聚焦在沿轴线的不同焦点上。

系统设计人员可以通过选择消色差或消色差透镜将两个或三个波长的光线分别聚焦在同一平面上来补偿这种影响。 使用较便宜的镜头,也可以使用消除UV和IR光谱的带通滤波器来减少这种类型的色差。 在许多成像应用中,这种带通滤波器被用于增强图像内特定特征的对比度。

如果这个特征的颜色是已知的,正确选择照明和过滤器可以使用黑白摄像机来增加所需物体的对比度(图2)。 在这里,来自中西部光学系统的许多绿色,蓝色和红色带通滤波器被用于过滤用白光照亮的推针的图像。 可以看出,使用这些滤波器可以选择性地突出每种颜色。 在这种应用中使用单色相机而不是彩色相机的另一个好处是可以获得更高的分辨率。

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图2:来自中西部光学系统的绿色,蓝色和红色带通滤波器用于过滤用白光照射的推针的图像。 可以看出,使用这些滤波器可以选择性地突出每种颜色。 (a)原始图像(b)没有滤波器的环境光(c)淡绿色带通滤波器(d)暗红色带通滤波器(e)蓝色带通滤波器。

如今,大多数为机器视觉系统开发的彩色相机都使用单色成像器,拜耳滤波器阵列将红色,绿色和蓝色光传递给选定的像素。 为了获得彩色图像,然后在相机中执行拜耳(Bayer)插值算法(通常在FPGA中)。 这种插值会导致质量稍差的彩色图像,而分辨率和边缘伪像会丢失。

然而,使用具有彩色滤光片的单色相机,不需要这样的内插,并且所捕获的图像的分辨率将会提高,所有其他参数相等。 在指定这些带通滤波器时,滤波器制造商为其客户提供许多重要特性,包括光密度(OD),峰值传输,中心波长,滤波器带宽和阻塞范围。

虽然峰值传输提供了最大光传输的波长,但是带宽是半功率波长之间的差异或半峰全宽FWHM(图3)。 例如,Schneider Optics的带通滤波器在465 nm至865 nm范围内可用,半峰宽从50 nm到100 nm,直径74毫米。

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图3:峰值传输提供了最大光传输的波长,带宽是半功率波长或半高全宽(FWHM)之间的差值。

色度技术公司还生产具有方波透射分布的滤光片,在一系列波长范围内提供相同的峰值透射率。 这些滤波器通常提供95%的传输,对不需要的波长(≥OD6)具有很高的抑制水平。

减少眩光

尽管可以使用专用透镜或带通滤波器来减少色差并增加图像中物体的对比度,但是使用专门的照明(例如阴天照明装置)可以减少直接高强度光反射的影响并且在使用轴上照明时可能导致眩光。 在系统光路中采用光学偏振滤光片,也可以减少这种眩光。

通过在光源前放置一个偏振器,光线将变成线性偏振。 从物体直接反射的光也将被线性偏振,而任何漫射光将被反射为非偏振。 因此,通过在相机前面放置第二个偏振器,只有漫反射光会被成像,减少眩光。 尽管使用这样的偏振器将衰减来自镜面的直接反射,但是通过完美偏振器的非偏振光将衰减通过它的50%的光,并降低正被成像的物体上的光的强度。 根据被成像物体的结构,反射光也会被衰减。

这种线性偏振滤光器由它们透射的光的百分比来指定。 这些偏振器的数据表显示了偏振器如何以单一,平行和交叉配置使用。 这里,单个偏振器的透光率显示了通过单个偏振器的光的百分比,而平行配置将采用两个偏振器的偏振轴在相同方向上对齐。

如果两个偏振器的偏振轴以90度交叉,则光通过光学系统的光线将少得多(图4)。 在这个例子中,来自Newport的可见偏振器的透射图被示出为单个,平行和交叉配置。

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图4:偏振器的透射图表显示了在单一,平行和交叉配置中使用滤波器的效果