機器視覺濾光的技術

作者： Gregory Hollows, Nicholas James

濾光片的種類

成像資源指南第8.1部份

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機器視覺中有許多不同類型的濾光片，可用來改善或調整接受檢查之物件的圖像。務必要瞭解各類濾光片採用的不同技術，以瞭解它們的優勢與限制。儘管有各種各樣的濾光片，但是幾乎所有的濾光片都可歸類到兩個主要類別：彩色玻璃濾光片和鍍膜濾光片。

彩色玻璃濾光片

彩色玻璃濾光片在機器視覺中非常常見，它採用摻雜可選擇性變更吸收和穿透光譜的玻璃材料製成。摻雜材料會根據使用的穿透波長而進行搭配，製造工藝幾乎與標準光學玻璃製造相同。彩色玻璃濾光片的明顯優勢為：相對于鍍膜濾光片，它們的成本相對較低；更重要的是，它們在與廣角鏡頭結合使用或在定角度下使用時，不會出現波長穿透偏移。但是彩色玻璃濾光片通常還採用廣波段，沒有與鍍膜濾光片一樣尖銳或精確的曲線，也沒有與鍍膜濾光片一樣高的穿透光通量。 圖 1 顯示了多種普通彩色玻璃濾光片的穿透曲線。請注意，濾光片採用廣波段，其穿透率相對鍍膜型濾光片比較平緩。

圖 1: 多種不同彩色玻璃濾光片的穿透率曲線。

紅外線(IR)截止濾光片可以是彩色玻璃濾光片，也可以是鍍膜濾光片，均適用於單色和彩色相機。由於大多數視覺相機中矽傳感器會對高達約1μm的波長產生反應，因此入射到傳感器上之可能是由頭頂日光燈或其他無用來源造成的任何紅外光，都會對傳感器造成干擾及不準確性。在彩色相機上，紅外線會在傳感器上產生偽色，進而降低整個顏色重現效果。因此許多彩色成像相機在傳感器上配備紅外截止濾光片作為標準配置。使用黑白相機，紅外光的存在會降低整個圖像的對比度。有許多其他類型的彩色玻璃濾光片。例如，當使用彩色光源和彩色傳感器時，可使用藍光濾光片來實現色彩平衡。

鍍膜濾光片

鍍膜濾光片通常可提供比彩色玻璃濾光片更陡峭的起透和止透過渡、較高的穿透率以及更好的截止能力。除了彩色玻璃濾光片外，還有一系列鍍膜濾光片，範圍從硬化膜螢光濾光片到二向色濾光片，再到偏振濾光片。每種鍍膜濾光片都經過了獨特的製造工藝，以確保具備適當的效能。波長濾光片是透過交互高低折射率介電材料沉積在基材上製成。基材的表面品質和均勻性與選定的基材自身的穿透波長範圍，共同決定濾光片的基礎光學品質。介電層在設定的波長範圍內產生建設性與破壞性干涉比起有彩玻璃濾光片更陡峭的起透和止透波帶，產生性能更佳的濾光片。

存在許多類型的硬化膜濾光片，例如，帶通濾光片、長波通濾光片、短波通濾光片以及陷波濾光片，它們具有特定的隔絕範圍和穿透範圍。長波通濾光片設計用於隔絕短波長並讓長波長通過。短波通濾光片則相反，讓較短波長通過並隔絕較長波長。帶通濾光片讓一個波長帶通過，而隔絕較長和較短的波長。與帶通濾光片相反，陷波濾光片可隔絕一個波長帶，而讓較長和較短的波長通過。這些濾光片的傳輸曲線形狀如 圖 2所示。

圖 2: 長波通與短波通濾光片(a)以及帶通與陷波濾光片(b)的傳輸曲線範例。

專為強烈擋光（強光）和極陡斜率穿透波形（從阻擋到穿透的）而設計的濾光片，用於必須提供精確光線控制的應用中。大多數機器視覺應用不要求此級別的精確度；任何具有光密度(OD)4或以上的濾光片都比所要求之精確度更高，從而增加了不必要的成本。由於硬化膜濾光片採用光學干涉來實現此精確的穿透和隔絕波段，它們在用於機器視覺應用中時會帶來一些困難。除非另有特別定義，否則所有干涉濾光片都是專為特定入射角（AOI，一般為0°）而設計。用於機器視覺中時，這些濾光片一般被置於鏡頭前面；這樣做會造成濾光片接受從鏡頭視場角決定之角度發出的光線。特別是在短焦距（大視場角）鏡頭的情況下，透過濾光片的光線通常會產生負面效果，例如藍光偏移。例如，4.5mm焦距鏡頭（廣角）具有比50mm焦距鏡頭（狹角）要大得多的藍光偏移。隨著干涉濾光片上的AOI增加，透過鍍膜層的光程長度會增加，這會造成止透和起透波長往短波長偏移 (圖 3)。

圖 3a: 基於濾光片上入射光線的行進距離之干涉濾光鏡工作原理在正確的入射角下，濾光片上入射光波會產生相消干涉，不允許它們透過濾光片。在其他角度下，相消干涉沒那麼有效，從而有效地變更了濾光片的類型。

圖 3b: 帶通濾光片於15˚入射角下使用時所顯示之藍光偏移範例。請注意，偏移不僅會朝向較低的中心波長，而且還會朝向坡度淺處。虛線是理想情況，即濾光片在0˚入射角下使用時的情況。

因此，在圖像中不同的視場點下，濾光片穿透不同的波長範圍而表現不同：進入視場越遠，藍光偏移越顯著。大多數情況下，干涉濾光片仍可提供比彩色玻璃濾光片更好的濾光控制，但在廣角鏡頭上使用干涉濾光片時，需要注意可能產生問題。

機器視覺濾光的應用

成像資源指南第8.2部份

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在設計機器視覺系統時，加強帶測物件特徵的對比度是個重要的考量。 關於對比度的介紹，請參閱 對比度。濾光是一種簡單方式，不但可增強圖像的對比度，還可隔絕不必要的照明光源。濾光片增強對比度有許多不同的方式，而濾光片的類型取決於具體應用。用於機器視覺中的一些普通的濾光片包括：有色玻璃濾光片、干涉濾光片、中性密度(ND)濾光片以及偏振濾光片。 有色玻璃帶通濾光片為可用於顯著改善圖像品質之部份最簡單的濾光片。這些濾光片可以窄化光波波段(濾波)讓視覺系統對比效果顯著，通常比同類干涉濾光片價格更低。彩色玻璃濾光片在用於隔絕色輪對面的色彩互補色效果最佳 (圖 4)。

圖 4: 色輪展示暖色應用來濾除色輪對面的冷色。

彩色濾光片

請看 圖 5, 中所示的範例，其中檢查了透明膠囊。如圖所示，兩個紅色膠囊位於兩個綠色膠囊的外側並處在白光背光下。

圖 5:使用相同視覺系統檢查的四個液體膠囊，在此以顏色顯示。

這是一個分類應用，需要依照顏色將藥丸分開，讓其到達各自的位置。使用黑白相機對膠囊成像 (圖 6) 可提供綠色膠囊和紅色膠囊之間僅為8.7%的對比度，低於可區分的最低對對比度要求20%。在此特別範例中，環境光出現的細微擾動（例如有人走過系統）可降低已經夠低的對比度值8.7%，因此會使得系統不再能夠正常工作。這個問題有多個解決方案：可建置巨大而昂貴的遮光系統來完全封閉檢查系統、可重新設計系統的整個照明方案，或加入濾光片來增強綠色和紅色藥丸之間的對比度。這種情況下，最簡單且實惠的解決方案是，利用綠色濾光片來改善兩個不同顏色膠囊之間的對比度。如 圖 6所示，對比度從8.7%增加到86.5%：增加近10倍。

圖 6: 用黑白相機拍攝檢查膠囊圖像對比度為8.7％（a）;外接了一片綠色濾光片對比度增加變為86.5％（b）。

中性密度濾光片

在某些應用中性密度濾光片可用於不改變曝光時間或調整f/#鏡頭光圈進而對圖像整體亮度做調整。儘管中性密度濾光片有兩個主要種類（吸收和反射），但它們的整體功能是一樣的：均勻地降低穿過鏡頭到達傳感器上的光線。對於曝光時間讓傳感器過曝之焊接等應用，中性密度濾光片可提供必要的光通量下降，而不需調整可影響系統分辨率的f/#。變跡濾光片等專業中性密度濾光片，有助於處理來自物件之亮光反射造成圖像中心出現的光斑，但光密度會隨著徑向距離遠離濾光中心而降低。

偏振濾光片

偏振濾光片是另一個常見類別的濾光片，它們因可對鏡面物件提供更佳的成像而被用於機器視覺應用中。為了正確使用偏振濾光片，光源和鏡頭上都必須具有偏振濾光片。這些濾光片可分別稱為偏振片和偏檢片。圖 7 顯示了在檢視鏡面物件時偏振濾光片可大有作為的範例。

圖 7:沒有使用濾光片(a)拍攝、顯示高眩光的圖像以及使用偏振濾光片(b)拍攝、降低眩光的圖像。

在 圖 7a中，CCD傳感器在亮場照明下接受檢查，而圖 7b 顯示了在光源使用偏振片並在鏡頭上使用偏檢片的相同照明設定。如圖 7b所示，使用偏振片來增強系統可提供優越的效能，因為刺眼的反射已被鏡頭上的濾光片吸收。為了確保最大程度地消除多餘眩光，必須使用偏振片來調整光源上的偏振軸狀態，讓其與鏡頭上的偏振片偏振軸之間呈90°角，否則，鏡頭仍會將部份刺眼反射光線傳入系統，造成眩光。必須瞭解：濾光片可用來管理圖像對比度，以幫助增加成像系統的對比度。不論是簡單的彩色濾光還是偏振濾光，都有相應濾光片來解決獨特的問題；必須瞭解特定應用應該使用什麼濾光片。

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