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導語
在機器視覺系統的搭建中，我們往往將大量精力花在相機分辨率、鏡頭畸變和光源打光的選擇上。然而，你是否遇到過這樣的情況：
明明光打得很足，圖像依然灰蒙蒙一片？
金屬工件反光嚴重，算法根本無法抓取特征？
用了昂貴的濾光片，畫面邊緣卻出現了詭異的顏色偏差？
其實，一個低成本的濾光片（Filter），往往能解決成千上萬的硬件升級都解決不了的問題。它是光學系統中的“對比度增強器"。
今天，我們基于實戰經驗，深入聊聊機器視覺濾光片的兩大核心流派、致命的“藍移"陷阱，以及如何用幾十塊錢的玻璃實現10倍的對比度提升。
01 有色玻璃 vs 鍍膜干涉：誰是你的較佳選擇？
在機器視覺領域，濾光片主要分為兩大門派：有色玻璃濾光片（Colored Glass）和鍍膜干涉濾光片（Coated Interference）。了解它們的底層邏輯，是選型的第壹步。
1. 有色玻璃濾光片：穩重的老實人
這類濾光片通過在玻璃材料中摻雜特定元素來改變吸收和透過光譜。
• 優點： 成本相對較低；最重要的是，它對角度不敏感。 無論你用的是廣角鏡頭還是傾斜拍攝，它的透射波長都不會發生漂移。
• 缺點： 截止波段較寬（Cut-on wavebands），透射曲線的坡度較緩，透過率通常不如鍍膜濾光片高。
圖 1：多款不同顏色玻璃濾光片的透射曲線
2. 鍍膜干涉濾光片：精準的特種兵
通過在基底上沉積高低折射率交替的介質層，利用光的干涉原理工作。
• 優點： 截止非常陡峭（Sharp cut-off），透過率較高，阻斷能力（OD值）更強。
• 缺點： 成本較高，且存在角度敏感性（詳見下文）。
劃重點： 絕大多數機器視覺應用并不需要OD 4以上的光密度。盲目追求高OD值只會增加不必要的成本。
圖 2：長通、短通濾光片透射曲線示例（a）以及帶通、陷波濾光片透射曲線示例（b）
02 警惕隱形殺手：“藍移"現象（Blue Shift）
這是很多工程師容易“翻車"的地方。
當你使用鍍膜干涉濾光片配合廣角鏡頭（短焦距）時，必須格外小心。
干涉濾光片通常是針對0°入射角設計的。但在機器視覺中，濾光片通常安裝在鏡頭前方。廣角鏡頭的視場角（FOV）很大，意味著邊緣光線會以較大的角度穿過濾光片。
物理原理：隨著入射角（AOI）的增加，光線穿過濾光片膜層的光程變長，導致中心波長向短波方向移動——這就是“藍移"。
后果：
• 如果你用的是50mm鏡頭（窄角），藍移可能不明顯。
• 如果你用的是4.5mm鏡頭（廣角），圖像中心的波長可能是準確的，但圖像邊緣的波長已經發生了偏移，甚至導致目標特征在邊緣“消失"。
圖 3：帶通濾光片在 15° 入射角下的藍移示例。需注意，不僅中心波長向短波方向偏移，濾光片的透過曲線斜率也會變緩。虛線曲線為濾光片在 0° 入射角下的理想狀態。
避坑指南： 如果必須使用廣角鏡頭，且對波長選擇要求不高，有色玻璃濾光片往往是比干涉濾光片更安全、更具性價比的選擇。
03 實戰演練：如何用濾光片“化腐朽為神奇"？
濾光片的核心使命只有一個：增強對比度（Contrast）。
案例一：膠囊分揀——從8.7%到86.5%的飛躍
假設我們要分揀混合在一起的紅色和綠色膠囊。
在白光背光下，使用黑白相機拍攝，你會發現：紅色膠囊和綠色膠囊在灰度圖上幾乎是一樣的灰色。
數據說話：此時兩者的對比度僅為 8.7%。這遠低于機器視覺系統穩定運行建議的20%較低對比度。環境光稍有波動，系統就會誤判。
解決方案：根據色輪原理（Color Wheel），使用與物體顏色相反的濾光片可以加深其顏色（變暗），使用相同顏色的濾光片可以使其變亮。
我們在鏡頭前加一片綠色有色玻璃濾光片：
• 綠色膠囊變亮（光線透過）；
• 紅色膠囊變暗（光線被吸收）。
結果：對比度瞬間飆升至 86.5%！提升了近10倍。我們沒有更換昂貴的相機，沒有重新設計光源結構，僅用一片濾光片就解決了問題。
圖 4：同一視覺系統檢測下的四個液囊樣品，本圖為彩色顯示
圖 5：采用單色相機拍攝的膠囊，獲得的對比度為 8.7%
圖 6：使用單色相機搭配綠色有色玻璃濾光片拍攝膠囊，所得對比度為 86.5%
案例二：消除眩光——偏振片的妙用
面對金屬、玻璃等高反光物體，眩光是特征提取的死敵。
此時，你需要“雙偏振"方案：
1.在光源前加裝起偏器（Polarizer）；
2.在鏡頭前加裝檢偏器（Analyzer）。
關鍵操作：必須將兩個偏振片的偏振軸調整為正交（90°垂直）狀態。這樣，物體表面直接反射的強光（保持了原偏振態）會被鏡頭前的檢偏器阻擋，而漫反射光則能進入成像。
圖 7：無濾光片拍攝圖像（a），存在強眩光；
加裝偏振濾光片拍攝圖像（b），眩光得到抑制
04 總結與建議
在機器視覺設計中，濾光片不應是“補救措施"，而應是“設計初衷"。
1.簡單場景： 優先考慮有色玻璃濾光片，便宜、耐用、無視角度問題。
2.精密測量： 需要極窄帶寬或陡峭截止時，選擇鍍膜干涉濾光片，但務必計算鏡頭的視場角，警惕“藍移"。
3.光控與反光： 善用中性密度片（ND）控制亮度，善用偏振片消除眩光。
不要讓低對比度成為你系統的瓶頸。
還沒找到合適的濾光方案？
不同的波段、不同的鏡頭焦距、不同的光源環境，都需要匹配特定的濾光片。
如果您正在為機器視覺系統的成像質量發愁，或者在選型上有困惑，歡迎聯系我們。
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