Filtertechnik für industrielle Bildverarbeitung

Autoren: Gregory Hollows, Nicholas James

Unterschiedliche Filtertechniken

Dies ist der Abschnitt 8.1 des Leitfadens zur Bildverarbeitung.

Filter in der industriellen Bildverarbeitung

In der industriellen Bildverarbeitung gibt es viele verschiedene Arten von Filtern, die zur Verbesserung oder Veränderung des Bildes des zu prüfenden Objekts verwendet werden können. Um die Vorteile und Grenzen der verschiedenen Filter zu verstehen, müssen die Prinzipien bekannt sein, die hinter den einzelnen Filtertypen stecken. Obwohl es eine große Vielfalt an Filtern gibt, lassen sich fast alle in zwei Hauptkategorien einteilen: Farbglasfilter und beschichtete Interferenzfilter.

Farbglasfilter

Farbglasfilter sind in der industriellen Bildverarbeitung weit verbreitet und werden durch Dotierung von Glasmaterialien mit Elementen hergestellt, die ihr Absorptions- und Durchlässigkeitsspektrum selektiv verändern. Die Dotierstoffe variieren je nachdem, welche Wellenlängen für die Transmission berücksichtigt werden, und der Herstellungsprozess ist nahezu identisch mit der Herstellung von optischem Standardglas. Farbglasfilter sind aus mehreren Gründen vorteilhaft: Sie sind im Vergleich zu Interferenzfiltern relativ kostengünstig und, was noch wichtiger ist, weisen keine Verschiebung der Wellenlängentransmission auf, wenn sie mit Weitwinkelobjektiven oder unter einem Winkel zum einfallenden Strahl eingesetzt werden. Farbglasfilter weisen jedoch in der Regel auch breite Cut-on-Wellenlängenbereiche auf, haben nicht so scharfe und genaue Kurven wie beschichtete Interferenzfilter und haben nicht so hohe Transmissionswerte wie Interferenzfilter. Abbildung 1 zeigt die Transmissionskurven für mehrere gängige Farbglasfilter. Man beachte, dass die Filter breite Cut-on-Wellenlängenbereiche und relativ flache Steigungen haben, die ihre Transmissionsfunktionen beschreiben.

Abbildung 1: Transmissionskurven für verschiedene Farbglasfilter.

Infrarot-Sperrfilter (IR-Sperrfilter) sind entweder farbige Glasfilter oder beschichtete Filter, die sowohl für Monochrom- als auch für Farbkameras geeignet sind. Da die Siliziumsensoren in den meisten Bildverarbeitungskameras auf Wellenlängen bis zu etwa 1 µm reagieren, kann jegliches IR-Licht, das von Decken-Leuchtstoffröhren oder anderen unerwünschten Quellen auf den Sensor fällt, zu Ungenauigkeiten im Sensor führen. Bei einer Farbkamera erzeugt IR-Licht auf dem Sensor eine falsche Farbe, die die Farbwiedergabe insgesamt beeinträchtigen kann. Aus diesem Grund sind viele Farbbildkameras standardmäßig mit IR-Sperrfiltern ausgestattet. Bei Monochromkameras verringert das Vorhandensein von IR-Licht den Kontrast des Gesamtbildes, aber im Gegensatz zu Farbkameras sind in der Regel keine IR-Sperrfilter eingebaut. Es gibt eine Vielzahl anderer Arten von Farbglasfiltern. So können z. B. Tageslichtblaufilter zum Farbabgleich verwendet werden, wenn polychromatische Lichtquellen und Farbsensoren eingesetzt werden.

Beschichtete Interferenzfilter

Beschichtete Filter bieten in der Regel schärfere Cut-On- und Cut-Off-Übergänge, höhere Durchlässigkeit und bessere Sperrwirkung als Farbglasfilter. Neben Farbglasfiltern gibt es eine Reihe von beschichteten Filtern, darunter hartbeschichtete Fluoreszenzfilter, dichroitische Filter und Polarisationsfilter. Jeder beschichtete Filter durchläuft ein einzigartiges Herstellungsverfahren, um eine einwandfreie Leistung zu gewährleisten. Wellenlängenselektive optische Filter werden durch das Aufbringen dielektrischer Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex auf ein spezielles Substrat hergestellt. Die Oberflächenqualität und die Gleichmäßigkeit des Substrats bilden die Grundlage für die optische Qualität des Filters und legen die Wellenlängengrenzen fest, bei denen die Transmission des Substratmaterials abnimmt. Die dielektrischen Schichten erzeugen die detaillierte spektrale Struktur eines Filters, indem sie konstruktive und destruktive Interferenzen über eine Reihe von Wellenlängen erzeugen und im Vergleich zu Farbglasfiltern viel schärfere Cut-Off- und Cut-On-Bänder bieten. Es gibt viele Arten von hartbeschichteten Filtern, z. B. Bandpass-, Langpass-, Kurzpass- und Notchfilter, die jeweils einen bestimmten Sperr- und Transmissionsbereich haben. Langpassfilter sind so konzipiert, dass sie kurze Wellenlängen blockieren und lange Wellenlängen durchlassen.

Kurzpassfilter sind das Gegenteil, sie lassen kürzere Wellenlängen durch und blockieren lange. Bandpassfilter lassen ein Band von Wellenlängen durch, während sie längere und kürzere Wellenlängen, die außerhalb des Durchlassbereichs liegen, blockieren. Die Umkehrung eines Bandpassfilters ist ein Notchfilter, der ein Band von Wellenlängen sperrt und die längeren und kürzeren durchlässt. Die Formen der Transmissionskurven für diese Filtertypen sind in Abbildung 2 dargestellt.

Beispiele für Transmissionskurven von Langpass- und Kurzpassfiltern (a) sowie Bandpass- und Notchfiltern (b).

Abbildung 2: Beispiele für Transmissionskurven von Langpass- und Kurzpass- (a) sowie Bandpass- und Notchfiltern (b).

Filter, die für eine tiefe Blockung (hohe optische Dichte) und steile Steigungen (scharfer Übergang zwischen Blockung und Transmission) ausgelegt sind, werden bei Anwendungen eingesetzt, bei denen eine präzise Lichtsteuerung entscheidend ist. Die meisten Bildverarbeitungsanwendungen erfordern diesen Präzisionsgrad nicht; in der Regel ist jeder Filter mit einer optischen Dichte (OD) von 4 oder mehr präziser als erforderlich und verursacht unnötige Kosten. Da hartbeschichtete Filter optische Interferenzen nutzen, um so präzise Transmissions- und Blockungsbänder zu erreichen, führen sie zu Schwierigkeiten beim Einsatz in Bildverarbeitungsanwendungen. Alle Interferenzfilter sind für einen bestimmten Einfallswinkel (AOI) ausgelegt, in der Regel 0°, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben. Bei der industriellen Bildverarbeitung werden diese Filter in der Regel vor dem Objektiv platziert, so dass der Filter Licht aus Winkeln aufnimmt, die durch den Bildwinkel des Objektivs vorgegeben sind. Vor allem bei Objektiven mit kurzer Brennweite (großem AFOV) zeigt das durch den Filter durchgelassene Licht oft einen unerwünschten Effekt, die so genannte Blauverschiebung. Ein Weitwinkelobjektiv mit einer Brennweite von 4,5 mm hat zum Beispiel eine viel größere Blauverschiebung als ein Objektiv mit einer Brennweite von 50 mm. Wenn der Einfallswinkel eines Interferenzfilters zunimmt, vergrößert sich die optische Weglänge durch die Filterschichten, wodurch sich die Cut-On- und Cut-Off-Wellenlängen verringern (Abbildung 3).

Abbildung 3a: Interferenzfilter funktionieren auf der Grundlage der Entfernung, die das auf den Filter auftreffende Licht zurücklegt. Beim richtigen Einfallswinkel interferieren die auf den Filter auftreffenden Lichtwellen destruktiv, so dass sie den Filter nicht mehr durchdringen können. Bei einem anderen Winkel ist die destruktive Interferenz nicht so wirksam.

Abbildung 3b: Ein Beispiel für Blauverschiebung, dargestellt mit einem Bandpassfilter bei einem Einfallswinkel von 15˚. Beachten Sie nicht nur die Verschiebung hin zu einer niedrigeren Zentralwellenlänge, sondern auch die Verflachung der Steigung. Die gestrichelte Kurve ist ideal, wenn der Filter bei einem Einfallswinkel von 0˚ verwendet wird.

Daher verhält sich der Filter an verschiedenen Punkten des Bildes unterschiedlich, indem er verschiedene Wellenlängenbereiche durchlässt: Je weiter außen im Bild, desto ausgeprägter ist die Blauverschiebung. In den meisten Fällen bieten Interferenzfilter immer noch eine bessere Filterkontrolle als ein Farbglasfilter, aber seien Sie sich der möglichen Fallstricke bewusst, wenn Sie einen Interferenzfilter mit einem Weitwinkelobjektiv verwenden.

Anwendung von Bildverarbeitungsfiltern

Dies ist der Abschnitt 8.2 des Leitfadens zur Bildverarbeitung.

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Bei der Entwicklung eines Bildverarbeitungssystems ist es wichtig darauf zu achten, dass der Kontrast der interessanten Stellen des inspizierten Objekts erhöht wird. Eine Einführung in das Thema Kontrast finden Sie im Anwendungshinweis Kontrastgrenzen für Objektive. Filter bieten eine einfache Möglichkeit einen hohen Bildkontrast zu erzeugen, während unerwünschtes Licht geblockt wird. Der Kontrast kann dabei auf verschiedene Arten gesteigert werden, der gewählte Filtertyp hängt von der Anwendung ab. Einige Filterarten, die üblicherweise in der Bildverarbeitung eingesetzt werden, sind Farbglas-, Interferenz-, Neutraldichte- und Polarisationsfilter. Bandpassfilter aus Farbglas gehören zu den einfachsten Filtern, die es gibt, um die Bildqualität drastisch zu verbessern. Diese Filter eignen sich hervorragend zur Verengung des für das Bildverarbeitungssystem sichtbaren Wellenbereichs und sind oft preiswerter als vergleichbare Interferenzfilter. Farbglasfilter funktionieren am besten, wenn sie zum Ausblenden von Farben auf der gegenüberliegenden Seite des Farbkreises verwendet werden (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das Farbrad demonstriert, dass warme Farben eingesetzt werden müssen, um die kälteren Farben auf der Gegenseite herauszufiltern.

Farbfilter

Betrachten Sie das in Abbildung 5 gezeigte Beispiel, bei dem Gelkapseln geprüft werden. Wie abgebildet, befinden sich zwei rote Kapseln an den Außenseiten eines Paars grüner Kapseln und unter einer weißen Hintergrundbeleuchtung.

Abbildung 5: Vier Flüssigkeitskapseln bei der Inspektion mit demselben Bildverarbeitungssystem, hier in Farbe.

Es handelt sich um eine Sortieranwendung, bei der die Pillen nach Farben getrennt werden müssen, um an ihren jeweiligen Platz zu gelangen. Die Aufnahme der Kapseln mit einer Monochromkamera (Abbildung 6) ergibt einen Kontrast zwischen der grünen und der roten Kapsel von nur 8,7%, was unter dem empfohlenen Mindestkontrast von 20% liegt. In diesem speziellen Beispiel können geringe Schwankungen des Umgebungslichts, wie z. B. Personen, die am System vorbeilaufen, den ohnehin schon niedrigen Kontrastwert von 8,7% so weit verringern, dass das System nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert. Für dieses Problem gibt es mehrere Lösungen: Es kann ein sperriges und kostspieliges Lichtabschirmsystem gebaut werden, um das Inspektionssystem vollständig zu umschließen, das gesamte Beleuchtungsschema des Systems kann überarbeitet werden, oder es kann ein Filter hinzugefügt werden, um den Kontrast zwischen den grünen und roten Pillen zu erhöhen. In diesem Fall ist die einfachste und kostengünstigste Lösung die Verwendung eines grünen Farblasfilters, um den Kontrast zwischen den beiden verschiedenfarbigen Kapseln zu verbessern. Wie in Abbildung 6 zu sehen ist, verbessert sich der Kontrast von 8,7% auf 86,5%: eine Steigerung um fast den Faktor 10.

Betrachtung der Kapseln mit einer Monochromkamera, die einen Kontrast von 8,7% ergibt

Die Kapseln werden mit einer Monochromkamera und einem Grünfilter betrachtet, was einen Kontrast von 86,5% ergibt.

Abbildung 6: Betrachtung der Kapseln mit einer Monochromkamera mit einem Kontrast von 8,7% (a) und mit einer Monochromkamera und Grünfilter mit einem Kontrast von 86,5% (b).

Neutraldichtefilter

Neutraldichtefilter werden bei bestimmten Anwendungen eingesetzt, bei denen es vorteilhaft ist, die Helligkeit eines Bildes zusätzlich zu steuern, ohne die Belichtungszeit zu ändern oder den Blendenwert anzupassen. Obwohl es zwei Haupttypen von Neutraldichtefiltern gibt (absorbierende und reflektierende), ist die Wirkung auf das Bild dieselbe: das Licht, das durch das Objektiv auf den Sensor fällt, wird gleichmäßig reduziert. Bei Anwendungen wie dem Schweißen, bei denen der Bildwandler unabhängig von der Belichtungszeit überlastet werden kann, können Neutraldichtefilter die notwendige Verringerung des Durchsatzes bewirken, ohne dass der Blendenwert geändert werden muss (was sich auf die Auflösung des Systems auswirken kann). Spezielle Neutraldichtefilter, wie z. B. Apodisationsfilter, helfen bei Hotspots in der Bildmitte, die durch eine starke Reflexion eines Objekts verursacht werden, aber die optische Dichte nimmt mit dem radialen Abstand von der Mitte des Filters ab.

Polarisationsfilter

Polarisationsfilter sind ein weiterer gängiger Filtertyp, der in Bildverarbeitungsanwendungen eingesetzt wird und eine bessere Abbildung von glänzenden Objekten ermöglicht. Um Polarisationsfilter richtig zu verwenden, müssen sowohl die Lichtquelle als auch das Objektiv mit Polarisationsfiltern ausgestattet sein. Diese Filter werden als Polarisator bzw. Analysator bezeichnet. Abbildung 7 zeigt ein Beispiel dafür, wie Polarisationsfilter bei der Betrachtung glänzender Objekte einen Unterschied machen können.

Abbildung 7: Bilder ohne Filter (a) mit starker Blendung und mit Polarisationsfiltern (b), die die Blendung reduzieren.

In Abbildung 7a wird ein CCD-Bildwandler mit Hellfeldbeleuchtung geprüft, und Abbildung 7b zeigt denselben Beleuchtungsaufbau mit einem Polarisator an der Lichtquelle und einem Analysator am Objektiv. Wie in Abbildung 7b zu sehen ist, bietet die Ergänzung des Systems mit Polarisatoren eine bessere Leistung, da die harten Reflexionen durch den Filter auf dem Objektiv absorbiert werden. Um eine maximale Unterdrückung unerwünschter Blendung zu gewährleisten, muss die Polarisationsachse des Polarisators um 90° vom Polarisationswinkel des Polarisators am Objektiv abgewinkelt sein. Andernfalls lässt die Linse immer noch einen Teil des stark reflektierten Lichts in das System durch und verursacht Blendung. Halten wir fest, dass es Filter gibt, die den Kontrast eines Bildes manipulieren, um die Genauigkeit des Bildverarbeitungssystems zu erhöhen. Ob Farb- oder Polarisationsfilter, jeder Filter dient der Lösung eines bestimmten Problems; es ist wichtig zu verstehen, welche Filter für bestimmte Anwendungen verwendet werden sollten.

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Weiterführende Informationen

Anwendungshinweis