Optični dizajn: Pogosto zanemarjeno vprašanje motnje zaradi razpršenega svetlobnega toka

V projektih strojnega vida kakovost optičnega dizajna neposredno določa, ali lahko sistem učinkovito in natančno deluje. Vendar prisotnost motnega svetloba lahko močno ogrozi kakovost slikanja.

Bodisi v visokonatančnih industrijskih pregledih ali v primerih v resničnem času za avtonomsko vožnjo lahko težave, povzročene zaradi motne svetlobe, kot so duhovne slike, mavrice in meglenost slike, vodijo v napačne presoje in zmanjšano natančnost.

Torej, ob oblikovanju optičnega sistema strojnega vida, katere dejavnike, povezane z motno svetlobo, je treba upoštevati in katere rešitve so na voljo?

I. Viri in nevarnosti motne svetlobe

Motna svetloba se nanaša na škodljivo svetlobo, ki odstopa od normalne poti slikanja, in njene vzroke so relativno zapleteni.

Pogostni viri motnje svetlobe vključujejo:

1. Težave s stekli: Neenakomerno prevlečenost, previsoka odsevnost ali slaba površinska obdelava lahko povzročijo večkratne odboje na površini stekla.

2. Mehanski komponenti: Nezadostno oksidacijsko začrnjevanje, pomanjkanje notranjih protiodsevnih konstrukcij in nepravilno izdelane dimenzije diafragme lahko prav tako povzročijo motnje svetlobe.

3. Napake v optičnem načrtovanju: Skrite nevarnosti v strukturi optične poti so še en pomemben vir motnje svetlobe.

Vpliv motnje svetlobe na kakovost slikanja ni zanemarljiv. Ta bo:

1. Z manjšala ločljivost in kontrast slike, zameglila podrobnosti ter močno vplivala na natančnost zaznavanja.

2. P ovzročila duhovske slike in lažne slike, pri katerih lažne informacije zakrijejo resnično sliko in vodijo v napačnih presojah.

3. V določenih pogojih povzročijo disperzijo in mavrične flare, pri katerih obarvane točke okoli močnih svetlobnih virov motijo analizo slike.

4. Ustvarijo skupno megleno sliko, zaradi česar slika izgleda siva in meje med črnimi in belimi povrminami postanejo nejasne. Barvne slike lahko prav tako trpijo zaradi meglenosti.

5. Ko obstaja kot med optično osjo leče in svetlobnim virom v vidnem polju, se lahko pojavi razmazovanje, ki prekriva izvirno območje in povzroči izgubo informacij.

II. Rešitve za odpravo motnje zaradi razpršene svetlobe

1.  Optimizirajte optični načrt:  

Uporabite visokokakovostne prevleke: Nanašanje večslojnih prevlek z nizko reflektivnostjo na površine leč zmanjša odboj svetlobe.

Racionalni načrt optične poti: Optimizirajte strukturo optične poti s pomočjo simulacije sledenja žarkom, da preprečite vstop razpršene svetlobe v slikovno območje.

Uporabite apertur proti razpršeni svetlobi: Dodajanje apertur v optično pot lahko prepreči odstopanje svetlobe.

2. Nadzor zunanje svetlobne vire:

Blokirajte močne zunanje svetlobne vire: Uporabite pokrovčke ali zaslonke na objektivu v snovnem okolju, da zmanjšate neposredno izpostavljenost močni svetlobi.

Prilagodite kote svetlobnih virov: Izogibajte se prevelikim kotom med svetlobnim virom in optično osjo objektiva, da zmanjšate vstop odbite svetlobe v objektiv.

Uporabite polarizatorje: Filtrirajte svetlobo v določenih smereh, da zmanjšate motnje zaradi razpršene svetlobe.

3. Izboljšajte mehansko strukturo:  

Optimizirajte komponente okoli optičnega sistema: Uporabite protiodsevne obdelave, kot je npr. nanos mat črne barve, da zmanjšate odseve.

Dodajte strukture za blokado svetlobe: Preprečite vstop razpršene svetlobe v slikovno območje.

4. Korekcija posnetih slik:  

V primerih, ki jih ni mogoče izogniti, uporabite algoritme za obdelavo slik, kot so odstranjevanje meglenosti in šuma, da zmanjšate vpliv razpršene svetlobe.

Dinamično prilagodite eksposicijske parametre kamere glede na jakost okoljske svetlobe, da se izognete pretirani ali premali osvetlitvi.

III. Praktični primer

Pri industrijskem pregledovalnem projektu je naročnik poročal o zelo močnem meglenju slike pri močnem okolnem svetlobnem vplivu, kar je povzročilo znatno zmanjšanje natančnosti zaznavanja. Analiza je razkrila, da je večina motnje svetlobe izhajala iz odsevov znotraj leče in neposrednega vpliva zunanje močne svetlobe.

Izvedene so bile naslednje ukrepi:

1. Znotraj leče so dodali protiodbijajoče prevleke za zmanjšanje odsevov mehanskih komponent.
2. V okolju posnetka so namestili pokrove leč, ki blokirajo zunanjo močno svetlobo.
3. Optični dizajn so optimizirali z dodajanjem odprtine proti motnji svetlobe.

Po izvedenih izboljšavah se kakovost slike znatno izboljšala in natančnost zaznavanja se je vrnila na pričakovano raven.

IV. Zaključek

Dejavniki, ki jih je treba upoštevati ob izbiri naprave za zajem slika:

Motnja svetlobe je kritičen problem pri načrtovanju optike v strojnem vidu, ki ga ne smemo zanemariti, saj neposredno vpliva na kakovost slikanja in delovanje sistema.

Da se čim bolj zmanjša motno svetlobo, zahteva slikovna leča proti motni svetlobi na vseh stopnjah: optičnem načrtovanju, konstrukcijskem načrtovanju, obdelavi leč, obdelavi mehanskih komponent in sestavi.

S pomočjo optimizacije optičnega načrtovanja, nadzora zunanjih svetlobnih virov, izboljšave mehanskih struktur ter vključitve popravkov obdelave slikovnih podatkov po sestavi, se lahko motno svetlobo učinkovito zmanjša in s tem izboljša stabilnost in natančnost sistema.

V praktičnih aplikacijah je treba rešitve izbrati prilagodljivo glede na konkretne primere in zahteve, da se zagotovi stabilen pogon sistemov strojnega vida v različnih kompleksnih okoljih.