マシンビジョンシステムのための光学フィルターを選択します

光学フィルタを使用することにより、撮影画像のコントラストが低下し、画像処理時間を低減することができます。

Jun 5 2014
Andy Wilson, Editor in Chief

機械視覚システムは現在、多くの工場自動化システムにおいて普及している。これらのシステムを構築するには、開発者は検査対象の製品の種類を慎重に評価しなければなりません。 また、撮影した画像のコントラストを高めるために照明と光学系の適切な選択がどのように使用できるかを考慮する必要があります。そうすることで、関連する情報を抽出するために捕捉された画像を処理するのに費やす時間が短縮されるので、マシンビジョンシステムのスループットが向上する。

しかしながら、特定の用途に対して特定の照明選択を開始する前に、どのタイプの照明システムを使用すべきかを知ることが重要である。今日、多くの製造業者が、検査される製品のタイプに応じて様々なタイプの構成のLED照明製品を提供している。例えば、平坦な拡散面は、リングライトを用いて最良に照らされてもよい。 しかし、フラット鏡面物体は、検査されるべき特徴のコントラストを高めるために、拡散軸上光又は曇りの日イルミネータを必要とするかもしれません。

このような照明の選択は重要であるが、部品を照らす光の波長の選択も重要である。どの周波数を使用するかは、どの波長が反射されて吸収されるかを決定するため、部品の特性に依存します。抽出する対象の特徴に合致する波長を選択し、同じ色の光源を選択することにより、その特徴はより明るく見え、その逆も同様である。

むしろ、複数の波長を用いた実験より、システム開発者は、このタスクを実行するために、光学フィルタを使用するように選択することができます。例えば、広いスペクトルの白色光で物体を照明することによって、最適なコントラストを提供する特定の波長を選択するために、バンドパスフィルタをカメラの前に配置することができる。このようにして、照明波長の正しい選択を安価に決定することができる。適切なフィルタを選択する作業を簡単にするために、Thorlabs(ニュートン、ニュージャージー州; www.thorlabs.com)、Midwest Optical Systems(パラタイン、イリノイ州; www.midopt.com)、Edmund Optics(バーリントン、ニュージャージー州; www.edmundoptics.com)などの企業は、様々な種類のフィルタを備えたキットを提供しています。Chroma Technology(Bellows Falls、バーモント、www.chroma.com)などの他のフィルタメーカーは、独自のフィルタソリューションを専門とし、社内のエンジニアリングと生産能力を提供しています。

ニュートラル密度

光学フィルタはまた、光度を低減し、システム解像度を高め、グレアをなくし、色を分離し、色補正を行い、もちろん画像化される物体のコントラストを増加させるのに有用であることが判明して。このようなアーク溶接検査などのマシンビジョン用途では、カメラによって捕捉される光の量を低減する必要があるかもしれません。そのような用途では、光のすべての波長を等しく低減するために中性密度(ND)フィルタを使用することができる。このようなフィルタを使用すると、より大きなアパーチャを有するカメラを使用して、シーンの被写界深度を低減し、したがって、オブジェクト画像をその背景からより良好に分離することができる。

多くのメーカーは、それらの光学濃度(OD)、フィルタを透過した光パワーの点でこれらのフィルタの特性を指定します。光学密度は、OD = -Log10(Im / In)として数学的に与えられ、Imは測定された強度であり、Inは入射強度である。したがって、例えば、0.5の分数透過率(Im / In)を有する中立濃度フィルタは、光学濃度0.3を有する。一部のNDフィルタは、スペクトルの可視領域上で指定され、UVまたはIRのすべての波長を比例してブロックしません。これは、UV領域およびIR領域の両方に敏感なCCDまたはCMOSイメージャを使用するマシンビジョンシステムにおいて重要であり得る。

このため、数多くの企業が、マシンビジョンや科学アプリケーションに特に適したNDフィルタを提供しています。例えば、Edmund Optics製のTECHSPEC UV-NIR中性密度フィルターは、UVからNIR(190-1700 nm)まで光を減衰させることができ、12.5,25、および50 mmの直径サイズおよび光学濃度0.3,0.5 1.0,1.3,1.5および2.0である。

バンドパスフィルタ

中性濃度フィルタは、カメラのセンサに当たる光を低減するために使用されるが、バンドパスフィルタを使用して画像コントラストを増加させると同時に、特定の範囲内の波長を選択的に通過させることができる。光学系の軸上または縦方向の色収差が低減されるので、像コントラストが効果的に増大する。このような軸上色収差を示すシステムでは、レンズの屈折率は波長の関数としてわずかに変化する。レンズの屈折率は、赤色光(より長い波長)よりも青色光(短波長)の方が大きいので、異なる波長が軸に沿って異なる焦点に集束される(図1

システム設計者はそれぞれ同一平面上に、光の2つまたは3つの波長を集束する色消し又はアポクロマートレンズを選択することによって、この効果を補償することができます。より安価なレンズを使用して、UV及びIRスペクトルを排除するバンドパスフィルタは、また、色収差のこのタイプを低減するために使用することができます。多くの画像処理アプリケーションでは、このようなバンドパスフィルタは、画像内の特定の特徴のコントラストを高めるために使用されます。

この機能の色が既知であれば、照明やフィルタの適切な選択は、モノクロカメラが所望のオブジェクト(図2のコントラストを増加させるために使用されることを可能にします。ここでは、Midwest Optical Systems社製の緑色、青色および赤色の多数のバンドパスフィルタを用いて、白色光で照明されたプッシュピンの画像をフィルタリングする。図から分かるように、色のそれぞれを選択的にこれらのフィルタを使用して強調表示することができます。このような用途でカラーカメラよりモノクロカメラを使用することの利点の1つは、得られる分解能の向上です。

今日、マシンビジョンシステム用に開発されたほとんどのカラーカメラは、赤、緑、青の光を選択したピクセルに渡すベイヤーフィルターアレイを備えたモノクロイメージャを使用しています。カラー画像を得るために、カメラのベイヤー補間アルゴリズムが(しばしばFPGA内で)実行される。この補間は、幾分か低い品質のカラー画像をもたらし、解像度およびエッジアーチファクトの損失をもたらす。

しかし、カラーフィルタ(他のパラメータはすべて等しい)を備えたモノクロカメラを使用すると、そのような補間は必要なく、取り込まれた画像の解像度が改善される。これらの帯域通過フィルタを特定する際に、フィルタ製造業者は、光学密度(OD)、ピーク透過率、中心波長、フィルタの帯域幅およびその阻止範囲を含む多くの重要な特性を顧客に提供する。

ピーク透過率は、最大光が透過する波長を提供するが、帯域幅は、ハーフパワー波長または半値全幅(FWHM)の差である(図3。例えば、Schneider Optics(Hauppauge、New York、www.schneideroptics.com)のバンドパスフィルターは、50nmから100nm以上のFWHMで、465nmから865nmの範囲で利用できます、 そして、サイズ直径10〜74ミリメートルで利用。

Chroma Technologyはまた、波長範囲にわたって同じピーク透過率を提供する方形波透過プロファイルを備えたフィルタを製造している。これらのフィルタは、典型的には、望ましくない波長(≥OD6)の拒絶反応の非常に高いレベルで95%の透過率を提供します。

グレアの低減

特殊なレンズまたはバンドパスフィルタの使用は、色収差を低減し、画像内の物体のコントラストを増加させるために使用することができる。 一方、曇りの日イルミネータのような特殊な照明を使用すると、軸上の照明を使用した場合に生じる可能性がある直接的な高輝度光の反射およびグレアの影響を低減することができる。このグレアは、システムの光路に光学偏光フィルタを用いることによっても低減することができる。

光源の前に偏光子を配置することによって、光は直線偏光になるであろう。物体から直接反射された光はまた、直線偏光され、拡散光は偏光されずに反射される。したがって、第2の偏光子をカメラの前に配置することによって、拡散反射光のみが結像され、グレアが低減される。このような偏光子の使用は、鏡面からの直接反射を減衰させる。 しかし、完全な偏光子を通過する偏光されていない光は、それを通過する光の50%を減衰させ、結像される物体上の光の強度を低下させる。反射された光はまた、画像化される物体の構造に応じて減衰される。

このような直線偏光フィルタは、透過する光の割合によって特定される。これら偏光子のためのデータシートは、偏光子は、単一、平行、と交差構成で使用することができる方法を示します。ここで、単一の偏光子の光透過率は、単一の偏光子を通過する光の割合を示す。 平行構成は、それぞれの偏光軸が同じ方向に整列された2つの偏光子を使用する。

二つの偏光子の偏光軸が90度で交差している場合は、はるかに少ない光は、光学系(図4を通過します。この例では、Newport(アーバイン、カリフォルニア、www.newport.com)から可視偏光子の透過チャートは、単一の平行と交差構成で示されています。

謝辞

著者はMidwest Optical Systems社の社長Barry Warzak氏とMidwest Optical Systems社の上級アカウントマネージャーMariann Kiraly氏に感謝したいと思います。

記事に記載されている企業

Chroma Technology
ベローズフォールズ、VT、USA
www.chroma.com

Edmund Optics
バーリントン、NJ、USA
www.edmundoptics.com

Midwest Optical Systems
パラタイン、IL、USA
www.midopt.com

Schneider Optics
ホーポージ、NY、USA
www.schneideroptics.com

Thorlabs
ニュートン、NJ、USA
www.thorlabs.com

 

Andrew Wilson、 編集者

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FIG 1: Chromatic aberration occurs because the refractive index of a lens is greater for blue light (shorter wavelengths) than red light (longer wavelengths). Different wavelengths will be focused at different focal points along the axis.FIG 2: Green, blue & red bandpass filters are used to filter an image of pushpins illuminated with white light. Colors are highlighted using the filters. (a) Original (b) Ambient light, no filter (c) Light green filter (d) Dark red filter (e) Blue filterFIG 3: While the peak transmission provides the wavelength at which the maximum light is transmitted, the bandwidth is the difference between the half-power wavelengths or full width at half maximum (FWHM).FIG 4: Transmission charts of a polarizer show the effects of using the filter in single, parallel and crossed configurations.

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