滤光片原理与应用简析图（滤光片原理与应用简析视频）

使用滤镜可以让相机更好地选择与传感器接触的光线。滤光片通常设计用于阻挡一定量的光，或者通过特定的光带（一组颜色），或者通过消除潜在的眩光和提高对比度。无论哪种方式，滤镜的目的都是减少进入相机的光量。因此，选择合适的滤波器时需要考虑传感器的灵敏度。

吸收过滤器

吸收滤光片设计用于吸收特定波长的光并透射其他波长的光，从而使材料具有与其透射的光相对应的颜色。利用玻璃中产生颜色的成分的组合来吸收各种波长的光。 “发色团”是指一组称为发色团的化学物质，其吸收特定波长范围内的光。

二向色滤光片

二向色滤光片不一定提供其传输的颜色的视觉指示。这是因为二向色滤光片反射而不是吸收不需要的光波长。例如下图中的滤光片都可以通过蓝光（带通为470nm）。然而，左侧的滤光片呈现绿色而不是蓝色，因为滤光片反射不在带通区域内的其他波长的光。右侧的滤光片是吸收滤光片，仅透过蓝光。

二向色滤光片由具有一系列高折射率的薄层玻璃制成。通过按顺序均匀间隔放置这些玻璃层，这些滤光片会产生特定的干涉图案。这使得干涉图案能够增强所需波长的光并反射所有其他波长的光。可以通过控制光学涂层的选择、厚度和数量来仔细调整图案，从而创建各种滤光片。使用油在水上也可以看到类似的效果。当油聚集在水面上时，如下图所示，您看到的颜色来自不同的油层，水中的每一层油都反射特定波长的光。

增透膜

滤光片有助于防止不需要的波长的光到达传感器，但任何滤光片仍然会因反射而产生损耗。在光学系统中，需要最大化所需波长的光以获得最强的信号。任何滤光片甚至玻璃元件都会反射至少一小部分光，从而导致信号损失。当多个玻璃表面按顺序放置在光路中时（例如在多透镜系统中），损耗是每个表面的反射之和。由于透过率降低，光路中的每个表面都需要进行增透膜（AR）处理。

抗反射涂层有助于减少各种场景下的眩光，例如夜间车辆前灯，这一功能对于智能交通系统(ITS) 至关重要。随着眩光的减少，光学字符识别(OCR) 软件读取车牌的准确性得到提高。下图显示了自动车牌识别（ALPR）系统的视觉示例，其中左侧图像是使用配备AR 涂层的相机拍摄的，而右侧图像中出现大量反射。

偏光镜

光通常用波长来表示，但这些波如何定向并不是人们经常考虑的问题。光的传播方式由偏振决定。来自最常见光源（例如太阳或灯）的光发出非偏振光，这意味着这些波不会沿单一方向振荡。然而，有多种方法可以改变极化。最常见的偏振光类型是来自非金属表面（例如水、玻璃窗、沥青等）的反射。在机器视觉系统中，反射的偏振光通常是不受欢迎的，因为它会引起眩光，使物体细节更难以辨别。这种不需要的光可以使用偏振滤光片去除。偏振器的工作原理是仅传输特定偏振的光。

光源自然发射具有混合偏振的光，并且通过穿过偏振器，透射光的强度降低，因为只有一部分入射光被适当偏振并穿过偏振器。与偏光镜方向一致的光线将被完全透射，相反，任何垂直于滤光片方向的光线将被完全阻挡。 0 到90 之间的任何偏振光都会有一部分平行于偏振器排列并透射。这些波长加在一起，占可用光或全部可用光的50%。因此，需要注意的是，在使用偏光镜时，需要对光圈、曝光时间或增益进行补偿，以应对透射光的减少。

在下图中，绳索和尖桩篱栅分别用作光波和滤波器的类比。如果绳子的一端绑在栅栏上的固定点上，另一端来回移动，绳子就会形成波浪。如果一根绳子穿过尖桩篱笆，当绳子沿着篱笆的方向来回移动时，波浪就会穿过篱笆。相反，如果绳索沿垂直于栅栏的方向来回移动，则绳索上的波浪将不会穿过栅栏。

在机器视觉中，偏振滤光片有许多实际应用。由于这些滤光片可显着减少眩光，因此可用于塑料、标签和其他非金属表面的包装检查。下图中的示例显示了用于检查包装中的白板标记和清洁用品的视觉系统中偏振滤光片的效果。该图展示了将滤光片旋转90 以显示然后隐藏塑料包装中的眩光的效果。如果使用得当，偏光滤光片可以去除大量眩光，从而提高信噪比。

双带通滤波器

双带通滤光片允许传输两个不同的特定波长区域。带通滤光片通常与被视为多光谱成像设备的彩色相机一起使用。要在彩色相机上使用双带通滤光片，您需要了解相机滤色片阵列(CFA) 的效果。下图说明了没有红外(IR) 阻挡滤光片的色彩平衡效果的彩色相机的典型响应。

添加带有红外滤光片的双带通滤光片可以让相机通过三个（红、绿、蓝）颜色通道瞄准特定的光谱带。下图说明了可见光+ 近红外(NIR) 双带通滤光片的响应。

下图显示了475nm+850nm（蓝色+ NIR）滤光片的窄得多的响应。

智能交通系统应用可见光+近红外滤光片

由于红外阻挡滤光片的存在，使用带有红外闪光灯的普通彩色相机根本无法工作。然而，用可见光+近红外双带通滤光片替换该滤光片可以让相机阻挡大部分红外光。这将利用相机对人眼不可见波长的敏感性。使用带有MidOptDB850 双带通滤波器的Lumenera Lt345RC 彩色相机、Kowa LM16JC5MM-IR 红外校正镜头和MetaphaseLRS725 红外灯创建演示系统。

红外校正镜头用于确保其焦点在所有波长下保持恒定。如果您使用非红外校正镜头，则会有两个不同的焦点，一个用于白光下的图像，另一个用于红外光下的图像。红外校正镜头通常需要添加元件以确保所有波长都聚焦在出射光瞳后面的同一点。因此，红外校正镜片的成本通常高于未校正镜片。然而，在不重新聚焦镜头的情况下获得所有波长的清晰图像需要使用红外校正镜头。

该演示系统阻挡大多数近红外光，以保持足够的颜色精度，以便在白天正确识别车辆的颜色，同时允许在夜间传输足够的近红外光，以清楚地识别车辆的车牌。演示系统与典型彩色相机的日间效果比较如下所示。

虽然由于白天进入传感器的近红外光量很少，颜色精度无法完全保持，但它仍然能够正确识别正在成像的汽车的颜色。在放大的色卡中，人眼几乎看不到色差。然而，车后树木的颜色差异更为明显，因为树木反射大量近红外光以防止自身过热。由于这个应用是针对车辆的，所以不需要考虑植物颜色的变化。为了进一步提高系统的色彩精度，相机可以在白天使用色彩校正矩阵来帮助抵消太阳产生的近红外光。

下图说明了红外闪光灯如何在夜间成像期间显示车牌上的细节，使其易于被光学字符识别软件读取。图像本身呈现黑白，因为每个颜色通道的响应在850nm 处大致相同，并产生相似的灰度图像。

蓝光+近红外滤光片精准农业应用

在精准农业领域，通常使用特定的光谱带对植物进行成像，然后对图像进行分析。捕获图像的常见方法是对每个光谱带使用黑白相机，每个相机上都有一个带通滤波器来分离所需的波长。尽管这是首选方法，因为空间分辨率和光谱分辨率都最大化，但有一些巧妙的方法可以通过使用双带通滤波器来实现类似的结果。

使用彩色相机和用于蓝色和近红外光谱带的双带通滤光片。这个特定示例提供了双摄像头系统的替代方案，用于计算归一化植被指数(NDVI)，特别是在考虑尺寸和重量的无人机系统中使用时。 NDVI 评估植被反射的红色和近红外波长之间的差异，以确定植物的健康状况。看起来健康、绿色的植物会反射大量的红外光，以防止植物过热，而且与光合作用过程中吸收的红光和蓝光相比，它们还会反射更多的绿光。

通过调整NDVI 以测量蓝光而不是红光，相机可以使用蓝色通道来监测光合作用吸收的光，使用红色通道来监测反射的近红外光。然后使用红色和蓝色通道计算校正比，以粗略估计NDVI 计算结果。结果将在-1 到+1 范围内，其中负数往往对应于无机材料。健康植被的结果通常在0.2 到0.8 之间。为了便于可视化，NDVI 图像使用颜色图。下图中的示例使用蓝色表示负NDVI 值，使用绿色到红色表示正值。

带通滤波器的机器视觉应用

机器视觉在对比度要求高的领域蓬勃发展，其特点是公差小、错误少。由于机器视觉通常以灰度为目标，因此滤镜可以帮助增加两个相似颜色物体之间的对比度或显着突出不同颜色的物体。为了说明这一点，下图显示了一系列背照式彩色凝胶胶囊，使用各种带通滤光片进行成像以增加胶囊之间的对比度。

尽管胶囊的颜色不同，但彩色凝胶胶囊之间的灰度强度差异非常接近。黄线说明了像素强度图中每个值的生成位置。灰度强度的降低对应于每个胶囊。峰代表每个胶囊之间的间隙。无论颜色如何，每个胶囊的强度值都非常接近，并且彼此的灰度(DN) 值在50 个以内。这表明对比度较差，使得机器视觉系统难以区分不同的颜色，如下图所示。

在成像系统中添加红色带通滤光片可显着增加绿色和其他颜色胶囊之间的对比度，如下图所示。绿色胶囊的强度值接近于零，而红色和橙色胶囊的强度值远高于150DN。对比度增强显着提高了负责从橙色和红色胶囊中分选绿色胶囊的机器视觉系统的准确性。

如果系统需要区分橙色胶囊与绿色和红色胶囊，则需要使用不同的过滤器。使用以590nm 为中心的橙色带通滤光片可在所有胶囊之间创建更大的对比度，如下图所示。每个颜色胶囊的强度值分为三个不同的范围。绿色胶囊的强度值低于50，红色胶囊的强度值在50到100之间，橙色胶囊的强度值在100到150之间。这是因为橙色胶囊在590nm处透射大量的光范围内，而红色胶囊传输一些光，而绿色胶囊传输很少的光。

滤光轮的多光谱成像应用

直接放置在相机镜头前面的旋转滤光轮允许插入多个滤光片。使用黑白相机时，滤光轮的旋转使传感器暴露在较窄的波长范围内。每拍摄一张照片，滤镜轮就会依次向前移动一个滤镜。只要拍摄对象静止，使用滤光轮就是进行多光谱成像的好方法。光谱带仅受可用滤光片数量的限制，并且可以定制二向色滤光片以具有特定的带通宽度和波长。

下图中的示例显示了在六个特定波长下成像的两朵黄玫瑰。植物和花卉吸收几乎所有蓝光并反射大量红外光以防止自身过热。这些花朵似乎反射同样大量的绿色、橙色、浅红色和深红色光，这解释了它们为什么呈黄色。植物还吸收大量红光和较少波长接近525nm 的光，使叶子呈现绿色。健康的植物预计具有较高的绿光反射率，表明正在进行光合作用。对图像进行进一步的数学计算可以进行更深入的植物分析。例如，底部两张图像可用于计算归一化植被指数(NDVI)，以确定植物的整体健康状况。

滤光轮也可以以同样的方式用于荧光显微镜。使用二向色滤光片块，滤光轮可以向样品传递特定的激发波长。然后相机可以捕获样品中移动的荧光波长。使用染色剂定性或定量检测样品中的化合物，并在不同激发波长下捕获2 至6 个图像，以创建如下所示的合成图像。

审稿人：刘庆