Оптичний дизайн: часто непомічена проблема паразитного світла

У проектах машинного бачення якість оптичного проектування безпосередньо визначає ефективність і точність роботи системи. Проте наявність паразитного світла може серйозно погрожувати якості зображення.

Незалежно від того, чи йдеться про високоточні промислові інспекції чи про сценарії реального часу для автоматичного керування, проблеми, викликані паразитним світлом, такі як виникнення тіней, веселкових блисків і запотівання зображення, можуть призводити до помилкових оцінок і зниження точності.

Отже, проектуючи оптичну систему машинного бачення, які фактори, пов’язані з паразитним світлом, слід враховувати, і які існують рішення?

I. Джерела і небезпеки паразитного світла

Паразитне світло - це шкідливе світло, яке відхиляється від нормального шляху формування зображення, і його причини досить складні.

Поширені джерела паразитного світла включають:

1. Проблеми, пов'язані з лінзами: неоднорідне покриття, надмірно висока відбивна здатність або погана обробка поверхні можуть викликати багаторазові відбиття на поверхні лінзи.

2. Механічні компоненти: недостатня чорніння, відсутність внутрішнього протиблискового дизайну та погано виготовлені розміри діафрагми також можуть призводити до паразитного світла.

3. Помилки оптичного проектування: приховані ризики у структурі оптичного шляху є ще одним значним джерелом паразитного світла.

Вплив паразитного світла на якість зображення не можна ігнорувати. Воно призведе до:

1. З меншення роздільної здатності та контрасту зображення, розмиття деталей і суттєвого впливу на точність виявлення.

2. В призводить до ghosting та віртуальних зображень, де хибна інформація заважає реальному зображенню, що призводить до помилкових оцінок.

3. У певних умовах виникає дисперсія та райдужні блики, коли забарвлені плями навколо потужних джерел світла заважають аналізу зображення.

4. Створює загальне зображення у тумані, через що зображення виглядає сірим, і розмиваються межі між світлими та темними ділянками. Кольорові зображення також можуть мати ефект запотівання.

5. Якщо існує кут між оптичною віссю об'єктива та джерелом світла в полі зору, може виникати розмиття, яке закриває оригінальну область і призводить до втрати інформації.

II. Рішення для усунення паразитного світла

1.  Оптимізація оптичного дизайну:  

Використання високоякісних покриттів: Нанесення маловідбивальних багатошарових покриттів на поверхні лінз ефективно зменшує відбиття світла.

Раціональне проектування оптичного шляху: Оптимізація структури оптичного шляху за допомогою моделювання трасування променів запобігає потраплянню паразитного світла в зону формування зображення.

Використовуйте діафрагми проти паразитного світла: Додавання діафрагм у оптичний шлях може заблокувати відхилене світло.

2. Контроль джерел зовнішнього світла:

Блокування потужних зовнішніх джерел світла: Використовуйте ковпачки-броні або діафрагми в зйомочному середовищі, щоб зменшити пряме потрапляння сильного світла.

Регулювання кутів джерела світла: Уникайте надмірних кутів між джерелом світла та оптичною віссю об'єктива, щоб мінімізувати потрапляння відбитого світла в об'єктив.

Використання поляризаторів: Фільтруйте світло в певних напрямках, щоб зменшити перешкоди від паразитного світла.

3. Покращення механічної конструкції:  

Оптимізація компонентів навколо оптичної системи: Застосовуйте антибликові покриття, такі як фарба матового чорного кольору, щоб зменшити відбиття.

Додавання конструкцій, що блокують світло: Запобігайте потраплянню паразитного світла в зону зображення.

4. Корекція зображення після зйомки:  

У випадках, яких не можна уникнути, використовуйте алгоритми обробки зображень, такі як видалення туману та шуму, щоб зменшити вплив паразитного світла.

Динамічно регулювати параметри експозиції камери на основі інтенсивності навколишнього світла, щоб уникнути перевтомлення або недотримання експозиції.

III. Практичний випадок

У проекті промислового контролю клієнт повідомив про сильне затьмарення зображення за наявності яскравого навколишнього світла, що призвело до значного падіння точності виявлення. Аналіз показав, що головне джерело паразитного світла — це відблиски всередині об'єктива та пряме вплив зовнішнього яскравого світла.

Були вжиті наступні заходи:

1. Додано антибликове покриття всередині об'єктива для зменшення відблисків від механічних компонентів.
2. Встановлено козирки на об'єктиви в середовищі зйомки для блокування зовнішнього яскравого світла.
3. Оптимізовано оптичний дизайн шляхом додавання діафрагм, що запобігають паразитному світлу.

Після цих поліпшень якість зображення значно покращилася, а точність виявлення повернулася до очікуваного рівня.

Iv. Висновок

Фактори, які слід враховувати при виборі фреймграбера:

Паразитне світло є критичним питанням у проектуванні оптики машинного бачення, яке не можна нехтувати, оскільки воно безпосередньо впливає на якість зображення та продуктивність системи.

Щоб мінімізувати паразитне світло, об'єктиву для візуалізації потрібні заходи боротьби з паразитним світлом на всіх етапах: оптичний дизайн, конструктивний дизайн, обробка лінз, обробка механічних компонентів та збірка.

Шляхом оптимізації оптичного дизайну, контролю зовнішніх джерел світла, поліпшення механічних конструкцій та використання корекції зображення на пост-обробці можна ефективно зменшити вплив паразитного світла, підвищивши стабільність і точність системи.

На практиці рішення слід гнучко вибирати залежно від конкретних сценаріїв і вимог, щоб забезпечити стабільну роботу систем машинного бачення в різних складних умовах.