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【350vip葡京新集团科技大讲堂】视觉检测中的滤光片介绍

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一、引言

 

滤光片是用来选取所需光谱的光学器件。在光机视觉检测中选择合适的滤光片,有利于提高成像色彩的识别度,增强所需特征的对比度,改善镜头的分辨率以及消除干扰光。例如,在彩色相机的传感器上安装红外截止滤光片,可以提升整体颜色再现。在单色相机的传感器上安装红外截止滤光片,可以提高整体图像的对比度。在机器视觉应用中了解如何以及何时使用光学过滤片有利于更好的确保光学成像质量。

 

二、滤光片的光学参数

 

根据不同需求选择不同的滤光片,要了解一些常规的光学滤光片的术语:

 

1)中心波长(Center wavelength, CWL)通常用于表示带通滤光片的峰值透射率,或是陷波滤光片的峰值反射率,示意图如下图1中所示。

 

2)半峰全宽(Full width at half peak, FWHM)通常用于表示频谱通过入射能量穿过滤光片的特定部分,是一个波长范围,示意图如下图1中所示。

 

图1 中心波长和半峰全宽的示意图

 

3)截止范围通常用于表示通过滤光片衰减的能量光谱区域的波长间隔,阻断程度通常会在光密度中指定,示意图如下图2所示。

 

图2  截止范围的示意图

 

4)光密度(Optical density, OD)描述被滤光片阻断或拒绝的辐射量。高光密度值表示低透射率,低光密度则表示高透射率。光密度和透射率关系说明如图3所示,换算关系如2.1,2.2公式所示。

图3  光密度和透射率关系说明示意图

 

 

5)二向色性滤光片是用于取决于波长透射率或反射光的滤光片类型;特定波长范围透射的光则鉴于不同范围的光线反射或吸收,示意图如下图4所示。二向色性滤光片常用于长波通和短波通应用。

 

图4 二向色性滤光片镀膜的说明示意图

 

6)起始波长是用于表示在长波通滤光片中透射率增加至50%的波长。截止波长是用于表示在短波通滤光片中透射率降低至50%的波长。起始波长λcut-on和截止波长λcut-off示意图如图5中所示。    

 

图5 起始波长和截止波长的说明示意图

 

7)透射率是指得对目标波段的通过能力,常用百分比来表示,例如:滤光片峰值透射率大于80%,是指光通过滤光片衰减后能够透过的最大值在80%之上,透射率越大则代表透光能力越好。

 

三、光学滤光片类型

 

根据滤光片本身功能的不同,通常可以分为带通滤光片(Bandpass Filters),截止滤光片(Cut-off filter),二向色滤光片(Dichroic filter),中性密度滤光片(Neutral Density Filters)等等。

 

带通滤光片可以使某个特定波长或窄波段的光透过,通带之外的光不能够透过。根据带宽大小分为:带宽<30nm为窄带滤光片;带宽>60nm以上的为宽带滤光片。两种滤光片通常都是组合而成的,应用了光波干涉原理制备带通滤光片,且带通滤光片在各个领域得到了广泛应用。

 

截止滤光片可以将光谱分为两个区域,一个区的光不能通过称此区为截止区,而另一个区的光能够充分通过称为通带区,典型的截止滤光片有长波通滤光片和短波通滤光片。

 

二向色滤光片可以根据需要选择想要通过光的一小范围颜色,并且对其他颜色进行反射。二向色滤光片反射而不是吸收不需要的波长的光,因此二向色滤光片不一定能在视觉上指示其透过的颜色。例如,图6中的滤光片都能透过470nm蓝光。左侧的滤光片是二向色滤光片,带通区外的其他波长的光被反射;右边的是只透过蓝光的吸收型滤光片。左侧的看起来是绿色,而右边的看起来是蓝色。

 

图6 具有相同带通波长的两个滤光片

 

中性密度滤光片也称为衰减片,是用来均匀地减少某一部分的光谱中的透射率。一般分为吸收式和反射式。反射式中性密度滤光片,采用薄膜干涉的原理,将一部分光透过,而将另一部分光反射,这些反射光容易形成杂散光。吸收式中性密度滤光片,一般是指材料本身或在材料中参杂某些元素后,对一些特定波长的光起到吸收作用,而对其它波长的光不发生或少发生影响。通常吸收式中性密度滤光片的损伤阈值要低一些,而且长时间使用后,可能会有发热现象。

 

在机器视觉中常见的彩色玻璃滤光片和薄膜干涉滤光片各有优缺点。如表1所示,彩色玻璃滤光片与干涉滤光片相比,它们的成本相对较低。而另一个凸显的优势是该滤光片与广角镜头或以一定角度使用时,不会显示出任何波长透射的变化。薄膜干涉滤光片在使用过程中,透过率的波长变化特性可能会随着光线角度的改变而改变。在不是0°入射角度使用时,一般入射角度越大,波长特性向较短波长方向移动。

 

 

优点

缺点

彩色玻璃滤光片

² 成本相对较低

² 不会显示出波长透射的变化

² 具有较宽的截止波段

² 曲线没有镀膜干涉滤光片变化尖锐

² 透射率没有干涉滤光片高

薄膜干涉滤光片

² 更好的过滤控制

² 透过率的波长变化特性可能会随光线角度的改变而改变

表1 彩色玻璃滤光片和薄膜干涉滤光片优缺点对比

 

四、总结

 

在机器视觉中,有着各种类型的滤光片可以用于改善或改变被检查物体的图像的对比度,从而提高成像系统的准确性。每种滤光片都有着不同的特征,了解其关键参数和优势可帮助选择合适的滤光片。

 

参考文献

[1]梁杰民,郭宝平,杨欧等.干涉滤光片在PCB机器视觉检测中的应用研究[J].科学技术与工程,2007(06):1048-1051.

[2]弗郎松.光学滤光片[M].科学出版社,1986.

[3]帕维尔·I·拉扎列夫,谢尔古埃·帕尔托,迈克尔·V·波克施托.干涉滤光片:CN 03826881[P].CN 100378491 C[2023-12-11].

 

 

2023年12月13日 16:19