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光学滤光片技术

光学滤光片是现代图像处理系统的重要组成部分。它们有针对性地影响入射光，并有助于摄像头采集与相应检测任务相关的信息。例如，可以减少干扰性反射或环境光的影响，同时使对比度更明显。

什么是光学滤光片？

光学滤光片用于摄像头或照明系统的光路中，并影响光线通过的部分。在透射某些波长范围时，其他波长可能会被阻断或减弱。这涉及的波长取决于滤光片类型。带通滤波器将光限制在窄小的光谱范围内，而长通滤波器和短通滤波器则让高于或低于某一规定限值的波长通过。相反，偏振滤镜不会影响光的波长，而会影响光的振动方向。

因此，最重要的是，与相应检测任务相关的光谱范围能够到达摄像头。这样可以屏蔽干扰性环境光线，并减少反射。同时，还可以突出材料特性，如颜色差异或表面结构，如果没有合适的滤光片，则难以看到或根本看不到。

什么时候使用光学滤光片？

请注意：摄像头本身并不会产生对比度 – 只有照明系统和滤光片的相互作用才能确保最佳的可分析图像。

增强对比度

更清楚地突出相关特征

最大程度地减少反射

减少表面上的干扰性反射

提高重复精度

为图像采集创造稳定的条件

使材料属性可见

突出颜色差异或表面结构

减少干扰性环境光线

有针对性地抑制外来光线

光学滤光片的重要参数

透射率

透射率表示通过滤光片的光量。透射率越高，到达摄像头的可用光线越多。

屏蔽区

屏蔽区是指滤光片阻挡的光谱部分。高的阻挡效果可减少不需要的光线部分，从而减少外来光线对图像采集的影响。

半值宽度(FWHM)

半值宽度是指滤光片通过的光谱范围的宽度。半值宽度越小，通过的波长范围越窄，选择性越大。

电磁波谱

电磁辐射涵盖了宽广的不同波长范围。对于工业图像处理，根据应用的不同，不同光谱范围具有相关性，它们在特性和应用可能性方面各不相同。

光谱范围	波长	典型应用
紫外光	200–400 nm	荧光，材料检测
可视光	400–700 nm	标准图像处理
近红外光 (IR)	700–1,100 nm	干扰光抑制，材料区分
SWIR	1,000–2,500 nm	湿度测量，半导体
MWIR	3–5 µm	热成像
LWIR	8–14 µm	热成像技术

紫外光
200–400 nm	荧光，材料检测
可视光
400–700 nm	标准图像处理
近红外光 (IR)
700–1,100 nm	干扰光抑制，材料区分
SWIR
1,000–2,500 nm	湿度测量，半导体
MWIR
3–5 µm	热成像
LWIR
8–14 µm	热成像技术

Diagramm des elektromagnetischen Spektrums mit UV-, sichtbarem und Infrarotbereich sowie spektralen Kurven verschiedener Wellenlängen

选择光学滤光片时需要注意什么？

光谱位置

滤光片的波长必须与所用的照明系统相匹配，例如红光、蓝光、紫外光或红外光。

滤光片类型

合适的滤光片类型取决于具体的测试任务，以及要通过、阻挡或偏振的光分量。

透射率

透射率是指在所需光谱范围内通过滤光片的光量。透射率的高低尤其会影响图像亮度和所需的曝光时间等因素。

边缘陡度

边缘陡度描述了通带与屏蔽区之间的过渡。当要将紧邻的波长彼此分离时，较高的边缘陡度尤其重要。

机械兼容性

除了光学特性外，滤光片尺寸、螺纹和结构形式还必须与物镜和摄像头相匹配。

Optischer Filter, Objektiv und Machine-Vision-Kamera als aufeinander abgestimmte Komponenten

合适的滤光片只能在正确的照明条件下工作：
仅使用滤光片还无法生成最佳图像。首先，与测试对象相配的照明系统确保突出所需的特征。合适的滤光片通过抑制干扰光线部分来增强这种效果，只允许与图像采集相关的波长到达摄像头。只有这样才能生成对比度高的、可分析的图像。

光学滤光片有哪些类型？

偏振滤镜

特性：偏振滤镜可减少光亮或透明表面的干扰反射。

典型应用：偏振滤镜通过滤除光滑、光亮或曲面上的干扰性反射、光线和反射来提高对比度。这样可以更好地识别裂纹、划痕或不规则之处，否则这些缺陷可能会被反射光所掩盖。因此，它们特别适用于玻璃检测、塑料部件和薄膜检测以及液体和表面检测。

红光带通滤光片（颜色滤镜）

特性：红色带通滤波器可使红色光谱范围内的光通过，并抑制其他波长。

典型应用：红色带通滤波器与红色 LED 照明系统相结合，可减少红色光谱之外的干扰光，从而确保稳定的对比度。这样可以可靠地检测印刷图像、标签、条形码或清晰字体等。其他应用领域包括 OCR 应用以及颜色标记和包装特征的识别。

红外长通滤光片

特性：红外长通滤光片可阻挡可见光，可使红外光通过。

典型应用：与主动式红外光照明系统相结合，可以几乎完全消除干扰的可见环境光，并可提高对比度。即使在具有挑战性的光线条件下，也能可靠地分析图像，例如在输送技术和机器人视觉以及存在性检查、材料区分和代码识别方面。

可见光带通滤光片

特性：将图像采集限制在 400–700 nm 的可见光谱范围内，并减少干扰性紫外光和红外光。

典型应用：可见光带通滤波器可减少环境光或外部照明的影响，这些影响可能会使对比度和色彩还原失真。因此，在多摄像头系统中，所有摄像头能够实现一致的数值。在颜色检测、位置控制和质量管理方面，即使照明条件发生变化，结果也能保持更好的可比性。

Vergleich einer Metalloberfläche mit und ohne blauen Bandpassfilter zur Hervorhebung feiner Strukturen und Kratzer

蓝光带通滤波器（颜色滤波器）

特性：优化蓝色 LED 照明系统的对比度并抑制干扰性环境光线。

典型应用：蓝色带通滤波器利用短波光较小的衍射效应，以更锐利的边缘和更高的对比度来对精细结构成像。同时，蓝色光谱以外的光线会被屏蔽掉。在电子和电路板检测、边缘和轮廓识别以及表面检查、结构识别和精密测量方面，这可实现低噪音和高对比度检测。

Vergleich fluoreszierender Merkmale unter UV-Beleuchtung mit und ohne UV-Filter

紫外光滤光片

特性：适用于紫外照明或紫外荧光应用，用于突出显示在可见光下无法识别的特征。

典型应用：在进行荧光检测时，紫外光滤光片可阻挡强烈的紫外光激发辐射，而荧光物质发射的较弱荧光信号可用于图像采集。通过这种方式可以看到残留物、缺陷或代码。典型应用包括粘合剂检测、油漆和涂层检测、读取玻璃安瓿瓶上的隐形安全标记（如二维码）以及材料分析。

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