Optisch Ontwerp: Het Vaak Overlookte Probleem van Onbedoeld Licht

In machinevisieprojecten bepaalt de kwaliteit van het optisch ontwerp direct of een systeem efficiënt en nauwkeurig kan werken. Echter, het aanwezigheid van verstrooid licht kan ernstig de beeldkwaliteit bedreigen.

Of het nu gaat om inspectie in de industrie met hoge precisie of om real-time herkenningssituaties voor autonoom rijden, problemen veroorzaakt door verstrooid licht zoals ghosting, regenboogflares en beeldverneveling kunnen leiden tot verkeerde beoordelingen en verminderde nauwkeurigheid.

Welke factoren met betrekking tot verstrooid licht moeten dus worden overwogen bij het ontwerpen van een optisch systeem voor machinevisie, en welke oplossingen zijn er beschikbaar?

I. Bronnen en gevaren van verstrooid licht

Straylicht verwijst naar schadelijk licht dat afwijkt van het normale beeldvormende pad, en de oorzaken hiervan zijn relatief complex.

Algemene bronnen van straylicht zijn:

1. Problemen met de lens: Inconsistente coating, te hoge reflectiviteit of een slechte oppervlakteafwerking kunnen leiden tot meerdere reflecties op het lensoppervlak.

2. Mechanische componenten: Onvoldoende oxidatiezwarting, gebrek aan interne antireflectieontwerp en slecht geproduceerde diafragma-afmetingen kunnen ook straylicht veroorzaken.

3. Optische ontwerpgebreken: Verborgen risico's in de structuur van het optische pad zijn nog een belangrijke bron van straylicht.

Het effect van straylicht op de beeldkwaliteit mag niet worden onderschat. Het zal:

1. de resolutie en contrast van het beeld verminderen, details worden wazig en de detectie-accuratesse wordt ernstig beïnvloed.

2. C veroorzaakt ghosting en virtuele beelden, waarbij vals informatie het echte beeld verbergt, wat tot verkeerde beoordelingen leidt.

3. Onder specifieke omstandigheden kan dit leiden tot dispersie en regenboogflares, waarbij gekleurde vlekken rond sterke lichtbronnen de beeldanalyse verstoren.

4. Creëert een algemeen troebel beeld, waardoor de afbeelding grijs lijkt en de grenzen tussen zwarte en witte gebieden wazig worden. Kleurenbeelden kunnen ook last hebben van opwinding.

5. Wanneer er een hoek is tussen de optische as van de lens en de lichtbron in het gezichtsveld, kan smearing optreden, het originele gebied bedekken en informatieverlies veroorzaken.

II. Oplossingen om verstrooid licht tegen te gaan

1.  Optimaliseer optisch ontwerp:  

Gebruik kwalitatief hoogwaardige coatings: het aanbrengen van multilaagcoatings met lage reflectie op lensoppervlakken kan lichtreflectie effectief verminderen.

Rationeel optisch padontwerp: optimaliseer de structuur van het optische pad via straaltraceringssimulatie om te voorkomen dat verstrooid licht het beeldgebied binnenkomt.

Gebruik apertures tegen verstrooid licht: Het toevoegen van apertures aan het optische pad kan afwijkend licht blokkeren.

2. Externe lichtbronnen beheren:

Blokkeer sterke externe lichtbronnen: Gebruik lenskapjes of schermen in de opname-omgeving om de directe blootstelling aan fel licht te verminderen.

Stel de hoek van de lichtbron in: Vermijd te grote hoeken tussen de lichtbron en de optische as van de lens om te veel gereflecteerd licht de lens binnen te laten.

Gebruik polarisatoren: Filter licht in specifieke richtingen om verstrooiing van licht te verminderen.

3. Verbeter de mechanische structuur:  

Optimaliseer componenten rond het optische systeem: Pas antireflectiebehandelingen toe, zoals het spuiten met matzwarte verf, om reflecties te verminderen.

Voeg lichtblokkerende structuren toe: Voorkom dat verstrooid licht het beeldgebied binnenkomt.

4. Beeldcorrectie na bewerking:  

In onvermijdbare situaties, gebruik beeldverwerkingsalgoritmen zoals ontlasting en ruisreductie om de effecten van verstrooid licht te verminderen.

Past de camerabeeldparameters dynamisch aan op basis van de intensiteit van het omgevingslicht om overbelichting of onderbelichting te voorkomen.

III. Praktijkgeval

In een industrieel inspectieproject rapporteerde de klant ernstige beeldvervaging onder sterke omgevingsverlichting, wat leidde tot een aanzienlijke daling van de detectie-accuratesse. Analyse toonde aan dat het verstrooide licht voornamelijk afkomstig was van reflecties binnen de lens en directe blootstelling aan extern fel licht.

De volgende maatregelen zijn genomen:

1. Voegde antireflexcoating toe aan de binnenzijde van de lens om reflecties van mechanische componenten te verminderen.
2. Installeerde lenskapjes in de opnameomgeving om extern fel licht te blokkeren.
3. Optimaliseerde het optische ontwerp door toevoeging van apertures tegen verstrooid licht.

Na deze verbeteringen verbeterde de beeldkwaliteit aanzienlijk en keerde de detectie-accuratesse terug naar het verwachte niveau.

IV. Conclusie

Factoren om rekening mee te houden bij de selectie van een framegrabber:

Verstrooid licht is een kritisch probleem in het optische ontwerp van machinevisie dat niet mag worden over het hoofd gezien, aangezien het direct van invloed is op de beeldkwaliteit en systeemprestaties.

Om stray light te minimaliseren, vereist een beeldvormende lens anti-stray light maatregelen in alle fasen: optisch ontwerp, constructieontwerp, lensbewerking, mechanische componentenbewerking en assemblage.

Door het optisch ontwerp te optimaliseren, externe lichtbronnen te beheersen, mechanische structuren te verbeteren en naverwerking van beeldcorrectie toe te passen, kan de interferentie van stray light effectief worden verminderd, waardoor de systeemstabiliteit en nauwkeurigheid worden verbeterd.

In praktijktoepassingen moeten oplossingen flexibel worden geselecteerd op basis van specifieke scenario's en eisen, om zo de stabiele werking van machinevisiesystemen in uiteenlopende complexe omgevingen te garanderen.