Projektowanie optyczne: Często pomijany problem światła rozproszonego

W projektach wizji maszynowej jakość projektu optycznego bezpośrednio decyduje o tym, czy system może działać wydajnie i dokładnie. Jednak obecność światła rozproszonego może stanowić poważne zagrożenie dla jakości obrazowania.

Nie ma znaczenia, czy mowa o inspekcji przemysłowej o wysokiej precyzji, czy o scenariuszach rozpoznawania w czasie rzeczywistym dla samochodów autonomicznych, problemy spowodowane światłem rozproszonym, takie jak duchy, refleksy tęczowe i zamglenie obrazu, mogą prowadzić do błędnych ocen i obniżenia dokładności.

Dlatego przy projektowaniu systemu optycznego wizji maszynowej, jakie czynniki związane ze światłem rozproszonym należy wziąć pod uwagę i jakie rozwiązania są dostępne?

I. Źródła i zagrożenia światła rozproszonego

Światło rozproszone odnosi się do szkodliwego światła, które odchyla się od normalnej ścieżki obrazowania, a jego przyczyny są dość złożone.

Typowe źródła światła rozproszonego obejmują:

1. Problemy związane z obiektywem: Niestateczne powłoki, zbyt wysoka odbiciowość lub zła jakość powierzchni mogą powodować wielokrotne odbicia na powierzchni obiektywu.

2. Komponenty mechaniczne: Niewystarczające czernienie utleniające, brak wewnętrznego projektu zapobiegającego odbiciom oraz źle wykonane wymiary przesłony również mogą prowadzić do powstawania światła rozproszonego.

3. Błędy projektu optycznego: Ukryte zagrożenia wynikające ze struktury ścieżki optycznej są kolejnym istotnym źródłem światła rozproszonego.

Wpływ światła rozproszonego na jakość obrazu nie może być zaniedbany. Ono będzie:

1. P owodować zmniejszenie rozdzielczości i kontrastu obrazu, zamazywanie szczegółów i znacznie pogarszać dokładność wykrywania.

2. Z powodować efekt ghostingu i wirtualnych obrazów, gdzie fałszywe informacje zasłaniają prawdziwy obraz, prowadząc do błędnych ocen.

3. W określonych warunkach powodować rozpraszanie i refleksy w kształcie tęczy, gdzie plamy koloru wokół silnych źródeł światła zakłócają analizę obrazu.

4. Tworzyć ogólnie mętny obraz, powodując, że obraz wydaje się szary, a granice między obszarami czarnymi a białymi stają się niewyraźne. Obrazy kolorowe mogą również ucierpieć na efekt zaparowania.

5. Gdy istnieje kąt między osią optyczną obiektywu a źródłem światła w polu widzenia, może wystąpić rozmycie, które zakrywa oryginalny obszar i powoduje utratę informacji.

II. Rozwiązania dotyczące światła rozproszonego

1.  Optymalizacja projektu optycznego:  

Stosowanie wysokiej jakości powłok: Nanoszenie wielowarstwowych powłok o niskim współczynniku odbicia na powierzchniach obiektywu skutecznie zmniejsza odbicia światła.

Optymalne projektowanie ścieżki optycznej: Optymalizacja struktury ścieżki optycznej poprzez symulację trasy promieniowania pozwala zapobiec przedostawaniu się światła rozproszonego do obszaru obrazowania.

Stosuj przesłony przeciwświatło: Dodanie przesłon do układu optycznego może zablokować niepożądane światło.

2. Kontrola źródeł światła zewnętrznych:

Blokuj silne źródła światła zewnętrznych: Stosuj osłony przeciwsłoneczne lub przesłony w środowisku nagrania, aby zmniejszyć bezpośrednie narażenie na silne światło.

Dostosuj kąty źródeł światła: Unikaj zbyt dużych kątów między źródłem światła a osią optyczną obiektywu, aby zminimalizować wpadające do obiektywu światło odbite.

Stosuj filtry polaryzacyjne: Filtruj światło w określonych kierunkach, aby zmniejszyć zakłócenia spowodowane światłem rozproszonym.

3. Ulepsz konstrukcję mechaniczną:  

Optymalizuj komponenty wokół systemu optycznego: Zastosuj powłoki antyrefleksyjne, takie jak farba matowa w kolorze czarnym, aby zmniejszyć odbicia.

Dodaj konstrukcje zabezpieczające przed światłem: Zapobiegaj wpadaniu światła rozproszonego do obszaru obrazowania.

4. Korekcja obrazu w etapie postprodukcji:  

W przypadku nieuniknionych sytuacji, stosuj algorytmy przetwarzania obrazu, takie jak usuwanie zadymienia i redukcja szumu, aby zminimalizować wpływ światła rozproszonego.

Dostosowuj dynamicznie parametry ekspozycji kamery na podstawie natężenia światła otoczenia, aby uniknąć przewinietrzenia lub niedowinietrzenia.

III. Przypadek praktyczny

W projekcie inspekcyjnym przemysłowej kamery klient zgłosił poważne zamglenie obrazu w warunkach silnego światła otoczenia, co skutkowało znacznym spadkiem dokładności wykrywania. Analiza ujawniła, że światło rozproszone pochodziło głównie z odbić wewnątrz obiektywu i bezpośredniego oddziaływania silnego światła zewnętrznego.

Podjęto następujące działania:

1. Dodano powłoki antyodblaskowe wewnątrz obiektywu, aby zmniejszyć odbicia od elementów mechanicznych.
2. Zainstalowano osłony przeciwsłoneczne obiektywu w środowisku zdjęciowym, aby zablokować działanie silnego światła zewnętrznego.
3. Optymalizowano projekt optyczny, dodając przesłony ograniczające światło rozproszone.

Po wprowadzeniu tych ulepszeń jakość obrazu znacznie się poprawiła, a dokładność wykrywania powróciła do oczekiwanego poziomu.

Iv. Podsumowanie

Czynniki do rozważenia przy wyborze grabera obrazu:

Światło rozproszone stanowi krytyczny problem w projektowaniu optyki wizyjnej maszyn, który nie może zostać zignorowany, ponieważ bezpośrednio wpływa na jakość obrazowania i wydajność systemu.

Aby zminimalizować światło rozproszone, obiektyw wymaga działań przeciwrozproszeniowych na wszystkich etapach: projektowaniu optycznym, projektowaniu konstrukcyjnym, obróbce soczewek, obróbce elementów mechanicznych oraz montażu.

Poprzez optymalizację projektowania optycznego, kontrolę źródeł światła zewnętrznych, ulepszanie struktur mechanicznych oraz stosowanie korekcji obrazu w etapie postprodukcji, można skutecznie zmniejszyć zakłócenia spowodowane światłem rozproszonym, zwiększając stabilność i dokładność systemu.

W zastosowaniach praktycznych rozwiązania należy elastycznie dobierać w zależności od konkretnych scenariuszy i wymagań, aby zapewnić stabilną pracę systemów wizyjnych w różnych złożonych środowiskach.