利用濾光片最大限度提高相機(jī)性能

簡介

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，無論是通過特定的光帶（一組顏色）還是通過消除潛在的眩光和提高對比度。無論哪種方式，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。 下文將通過示例介紹不同類型的濾光片，并詳細(xì)解釋濾光片的原理。其他示例包括使用濾光片的實(shí)際應(yīng)用，例如智能交通系統(tǒng)（ITS）、機(jī)器視覺和檢測、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和多光譜成像。

濾光片的原理

主要有兩種根據(jù)波長過濾光的方法：吸收型濾光片和二向色濾光片。顧名思義，吸收型濾光片旨在吸收特定波長的光并透過其他波長的光，從而使材料具有與其透過的光相對應(yīng)的顏色。利用玻璃內(nèi)發(fā)色成分的組合，吸收各種波長的光?！鞍l(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范圍的光。

二向色濾光片的同義詞：

●反射

●薄膜

●干涉相比之下，二向色濾光片不一定能在視覺上指示其透過的顏色。這是因?yàn)槎蛏珵V光片反射而不是吸收不需要的波長的光。 例如，圖1中的濾光片都能透過藍(lán)光（帶通為470nm）。但是，左側(cè)的濾光片看起來是綠色而不是藍(lán)色，因?yàn)樵摓V光片反射了不在帶通區(qū)域內(nèi)的其他波長的光。右邊的濾光片是只透過藍(lán)光的吸收型濾光片。

二向色濾光片

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，這些濾光片會產(chǎn)生特定的干涉圖樣。這使得干涉圖樣的作用是增強(qiáng)所需波長的光并反射所有其他波長的光?？梢酝ㄟ^控制光學(xué)涂層的選擇、厚度和數(shù)量來仔細(xì)調(diào)整圖樣，從而允許創(chuàng)造各種濾光片。

增透膜

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

圖3｜增透膜對鏡頭濾光片元件作用的圖示說明 增透膜有助于減少各種場景中的眩光，例如夜間車輛的前照燈，這一功能對于智能交通系統(tǒng)（ITS）至關(guān)重要。眩光減少后，尋找要讀取車牌的光學(xué)字符識別（OCR）軟件的準(zhǔn)確性有所提高。自動車牌識別（ALPR）系統(tǒng)的視覺示例如圖3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。

濾光片示例和實(shí)際應(yīng)用

偏振片

光通常以波長來表示，但是這些波是如何定向的卻不是人們經(jīng)?？紤]的問題。光的傳播方式是由偏振決定的。來自太陽或燈等最常見光源的光會發(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)器視覺系統(tǒng)中，被反射的偏振光通常是不需要的，因?yàn)樗鼤鹧９?，使拍攝對象的細(xì)節(jié)更難辨別。可以使用偏振濾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準(zhǔn)并透射。疊加起來，這些波長的光總計(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。

圖4｜通過尖樁柵欄和繩子類比偏振 圖4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，而另一端來回移動，繩子就會形成波浪。如果繩子要穿過尖樁柵欄，當(dāng)繩子沿著柵欄的方向來回運(yùn)動時(shí)，波就會穿過柵欄。相反，如果繩子沿著垂直于柵欄的方向來回運(yùn)動，則繩子上的波就不會穿過柵欄。

圖5｜偏振濾光片對減少檢查時(shí)眩光的影響 在機(jī)器視覺方面，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。圖5中的示例顯示了視覺系統(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不同的特定波長區(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。

圖6｜無紅外阻擋濾光片時(shí)色彩傳感器的典型響應(yīng)

濾光片“數(shù)學(xué)”

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。圖6中的圖形說明了沒有紅外（IR）阻擋濾光片色彩平衡效果的彩色相機(jī)的典型響應(yīng)。添加一個帶紅外濾光片的雙帶通濾光片可使相機(jī)通過三（紅、綠、藍(lán)）顏色通道瞄準(zhǔn)特定的光譜帶。圖7中的圖形說明了可見光+近紅外（NIR）雙帶通濾光片的響應(yīng)，圖10顯示475nm+850nm（藍(lán)光+NIR）濾光片的響應(yīng)要窄得多。下文將詳細(xì)介紹這兩款濾光片，并舉例說明它們的優(yōu)點(diǎn)。

圖7｜使用可見光+850nm雙帶通濾光片時(shí)色彩傳感器的響應(yīng)

用于智能交通系統(tǒng)的可見光+NIR濾光片

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)根本無法工作。但是，用可見光+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)對人眼不可見波長的靈敏度。 本文的示例中，我們使用Lumenera Lt345RC彩色相機(jī)和MidOpt DB850雙帶通濾光片、Kowa LM16JC5MM-IR紅外校正鏡頭和Metaphase LRS725紅外燈創(chuàng)建了一個演示系統(tǒng)。 紅外校正鏡頭用于確保其焦點(diǎn)在所有波長處保持不變。如果使用非紅外校正鏡頭，將會出現(xiàn)兩個不同的焦點(diǎn)：一個是白光下的圖像焦點(diǎn)，另一個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確保所有波長的焦點(diǎn)會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)的日間效果對比如圖8所示。

圖8｜DB850濾光片和紅外阻擋濾光片的日間效果對比 雖然由于白天有少量近紅外光進(jìn)入傳感器，因此無法完全保持色彩精度，但它仍然能夠正確識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，汽車后方樹木的顏色差異更加明顯，因?yàn)闃淠痉瓷淞舜罅康慕t外光以防止自身過熱。由于此應(yīng)用針對的是車輛，因此無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，以幫助抵消太陽產(chǎn)生的近紅外光。 圖9說明了夜間成像時(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)字符識別軟件讀取。圖像本身看起來是黑白的，因?yàn)槊總€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。

圖9｜利用彩色相機(jī)、雙帶通濾光片和NIR閃光燈拍攝的夜間圖像

用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的藍(lán)色+NIR濾光片

在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，通常使用特定的光譜帶對植物進(jìn)行成像，然后對圖像進(jìn)行分析。捕獲圖像的常見方法是在每個光譜帶使用一個黑白相機(jī)，每個相機(jī)上都有一個帶通濾光片，以分離所需的波長。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，但也有通過使用雙帶通濾光片獲得類似結(jié)果的巧妙辦法。

圖10｜使用475nm+850m雙帶通濾光片時(shí)彩色傳感器的響應(yīng) 正如我們的解決方案：如何利用單臺相機(jī)進(jìn)行植物分析中詳述的，其中一個示例使用了一臺彩色相機(jī)和針對藍(lán)色和近紅外光譜帶的雙帶通濾光片。這個特殊的示例為計(jì)算歸一化植被指數(shù)（NDVI）提供了一個雙相機(jī)系統(tǒng)的替代方案，特別是在需要考慮尺寸和重量的無人機(jī)系統(tǒng)中使用時(shí)。 NDVI評估植被反射的紅色和近紅外波長之間的差異，以確定植物的健康狀況?？雌饋斫】稻G色的植物會反射大量的紅外光，以防止植物過熱，同時(shí)與光合作用中吸收的紅光和藍(lán)光相比，它們也會反射更多的綠光。通過調(diào)整NDVI來測量藍(lán)光而不是紅光，相機(jī)就可以使用藍(lán)色通道來監(jiān)測光合作用吸收的光，用紅色通道來監(jiān)測反射的近紅外光。 然后用紅色和藍(lán)色通道計(jì)算一個修正比率，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)往往對應(yīng)于無機(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。圖11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。

圖11｜利用單臺彩色相機(jī)和藍(lán)光+NIR雙帶通濾光片捕捉的近似NDVI圖像

對比度增強(qiáng)

機(jī)器視覺在對比度要求高的領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，具有公差小、錯誤少的特點(diǎn)。由于機(jī)器視覺通常以灰度為指標(biāo)，因此濾光片可以幫助增加兩個顏色相似物體之間的對比度或顯著突出顏色不同的物體。為了說明這一點(diǎn)，以下示例（圖12）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比度。

圖12｜背照凝膠膠囊（彩色） 如圖13所示，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。黃線用于說明像素強(qiáng)度圖生成每個值的位置?；叶葟?qiáng)度的下降與每個膠囊相對應(yīng)。峰值代表每個膠囊之間的間隙。無論顏色如何，每個膠囊的強(qiáng)度值都非常接近，并且彼此相差不超過50灰度（DN）值。這表明對比度較差，機(jī)器視覺系統(tǒng)很難區(qū)分不同的顏色。

圖13｜機(jī)器視覺系統(tǒng)無法區(qū)分顏色差異 在成像系統(tǒng)中添加紅色帶通濾光片會顯著增加綠色和其他顏色膠囊之間的對比度，如圖14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150 DN。對比度的增強(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)器視覺系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

圖14｜機(jī)器視覺系統(tǒng)利用紅色帶通濾光片提高綠色與橙色/紅色之間的信噪比 但是，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)生更大的對比度，如圖15所示。每種顏色膠囊的強(qiáng)度值分為三個不同的范圍：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。

圖15｜機(jī)器視覺系統(tǒng)利用橙色帶通濾光片提高三種顏色膠囊之間的信噪比

使用濾光輪的多光譜成像

直接放在相機(jī)鏡頭前面的旋轉(zhuǎn)濾光輪可插入多個濾光片。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范圍內(nèi)。每拍攝一張照片，濾光輪將按順序向前移動一個濾光片。 只要拍攝對象是靜止的，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，如前所述，可以定制二向色濾光片以具備特定的帶通寬度和波長。

圖16｜濾光輪示例 圖17中的示例顯示了在六個特定波長處對兩株黃玫瑰進(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)槭裁纯雌饋硎屈S色。植物還吸收大量的紅光，吸收較少波長接近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。

圖17｜在六個不同波長處對兩株黃玫瑰進(jìn)行成像 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。使用染色劑對樣品中的化合物進(jìn)行定性或定量檢測，并在不同激發(fā)波長下捕獲2到6張圖像，以創(chuàng)建圖18所示的合成圖像。

圖18｜利用三個單獨(dú)的二向色濾光塊進(jìn)行熒光顯微鏡檢查

結(jié)論

通過減少可以到達(dá)相機(jī)傳感器的光線類型，可以顯著改善圖像質(zhì)量。使用機(jī)器視覺系統(tǒng)時(shí)，需要考慮捕捉的特定對象，以便設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臑V光片使用策略。不需要的反射可以用增透膜和偏振片來解決，而利用帶通濾光片可以更好地識別要捕捉的對象，從而出色地分離出所需的特定波長。本文中的示例介紹了如何使用濾光片，在不同的應(yīng)用中也可以利用相同的優(yōu)點(diǎn)。