Beeinflusst der Winkel der Bildverarbeitungskamera die Leistung Ihres Filters?

Einführung

Beim Aufbau eines Bildverarbeitungssystems stellt sich möglicherweise die Frage, ob sich die Neigung der Kamera oder die Betrachtung eines Objekts aus einem bestimmten Winkel auf die Funktionsweise des optischen Filters auswirkt. Die kurze Antwort lautet: Ja, und zwar erheblich. Tatsächlich gehört der Kamerawinkel zu den häufigsten Gründen dafür, dass Bildverarbeitungssysteme Farben oder Kontraste nicht korrekt erfassen. Im Folgenden wird erläutert, warum dies geschieht und was Sie dagegen tun können.

Was ist der „Einfallswinkel“?

In der Optik wird der Kamerawinkel als Einfallswinkel (AOI) bezeichnet.

Stellen Sie sich einen Laserpointer vor, der vollkommen senkrecht nach unten auf ein Stück Flachglas gerichtet ist. Dieser senkrechte Einfallswinkel beträgt genau 0 Grad. Wenn Sie den Laserpointer zur Seite neigen, ist der neue Winkel, gemessen von der Senkrechten, der Einfallswinkel. Wenn eine Kamera ein Objekt schräg betrachtet, trifft auch das vom Objekt reflektierte Licht schräg auf den Filter der Kamera.

Das Hauptproblem: die „Blauverschiebung“

Optische Filter sind so ausgelegt, dass bestimmte Farben (Lichtwellenlängen) zur Kamera durchgelassen und alle anderen gesperrt werden.

Wenn Licht senkrecht auf den Filter trifft (0 Grad), verhält sich der Filter genau wie angegeben. Mit zunehmendem Winkel verschieben sich jedoch die vom Filter durchgelassenen Farben. Der Filter lässt dann insbesondere Licht mit kürzeren Wellenlängen passieren. Im Lichtspektrum liegen kürzere Wellenlängen näher am blauen Farbbereich.

Aus diesem Grund wird dieses Phänomen als „Blauverschiebung“ bezeichnet. Wenn Sie einen Rotfilter verwenden und die Kamera zu stark neigen, lässt der Filter möglicherweise kein rotes Licht mehr durch, sondern stattdessen orangefarbenes oder gelbes Licht. Dadurch wird der Kontrast beeinträchtigt, den Ihre Bildverarbeitungskamera zum Lesen von Barcodes, Prüfen von Teilen oder Sortieren von Objekten benötigt.

Welche Filter sind am stärksten betroffen?

Nicht alle Filter reagieren gleich auf unterschiedliche Winkel:

• Interferenzfilter (hochempfindlich): Dies sind die am häufigsten in der industriellen Bildverarbeitung eingesetzten Filter, beispielsweise schmalbandige Bandpassfilter. Sie sind äußerst präzise, reagieren jedoch sehr empfindlich auf den Kamerawinkel. Bereits eine Neigung um 10 Grad kann eine merkliche Blauverschiebung verursachen.
• Farbglasfilter (weniger empfindlich): Diese werden auch als Absorptionsfilter bezeichnet. Sie bestehen im Wesentlichen aus Glas, das in einer bestimmten Farbe eingefärbt ist. Sie sind nicht besonders präzise, weisen beim Neigen jedoch keine Blauverschiebung auf.

Warum geschieht das? (Der Schichtkucheneffekt)

Warum ändern Interferenzfilter ihre Farbe? Zum Verständnis hilft es, ihren Aufbau zu kennen.

Ein Interferenzfilter besteht nicht nur aus einem Stück Glas, sondern aus Dutzenden oder sogar Hunderten mikroskopisch dünner Materialschichten, die übereinandergestapelt sind. Man kann ihn sich wie eine transparente Schichttorte vorstellen.

Wenn Licht exakt senkrecht auf das Filter trifft, durchläuft es die Schichten auf dem kürzestmöglichen Weg. Die Abstände zwischen den Schichten sind genau darauf ausgelegt, die gewünschte Farbe durchzulassen. Trifft das Licht jedoch unter einem Winkel auf das Filter, muss es einen etwas anderen, längeren Weg durch diese Mikroschichten zurücklegen. Diese Änderung des physikalischen Weges beeinflusst die Interferenz der Lichtwellen im Filter und führt dazu, dass das Filter andere Farben durchlässt.

So lösen Sie Winkelprobleme in der industriellen Bildverarbeitung

Wenn Ihr Bildverarbeitungssystem Objekte aus einem Winkel erfassen muss, können Sie die Blauverschiebung wie folgt korrigieren:

1. Gerade ausrichten: Die beste Lösung besteht immer darin, die Kamera so zu montieren, dass sie möglichst senkrecht (0 Grad) auf das Objekt blickt.
2. Verwenden Sie einen breiteren Bandpassfilter: Wenn Sie rotes Licht bei genau 650 Nanometern durchlassen müssen, Ihre angewinkelte Kamera den Filter jedoch immer wieder auf 640 Nanometer verschiebt, können Sie einen „breiteren“ Filter kaufen, der den gesamten Bereich ab 630 to 670 Nanometern durchlässt. Dadurch erhalten Sie eine Reserve für die Verschiebung.
3. Filter für kundenspezifische Winkel: Filterhersteller können einen Filter speziell für Ihren Winkel entwickeln. Wenn bekannt ist, dass Ihre Kamera dauerhaft um 30 Grad geneigt ist, können sie einen Filter fertigen, der Ihre gewünschte Farbe nur bei einer Neigung von 30 Grad exakt erreicht.

Fazit

Der Kamerawinkel ist ein entscheidender Faktor in der industriellen Bildverarbeitung. Bereits geringe Neigungen können eine „Blauverschiebung“ verursachen. Dadurch verändert sich das von der Kamera erfasste Bild, was möglicherweise zu Fehlern bei der Prüfung führt. Wenn Sie verstehen, wie sich das Licht durch Ihre Filter ausbreitet, können Sie Ihren Aufbau anpassen oder die richtige Ausrüstung wählen, damit Ihr Bildverarbeitungssystem stets zuverlässig funktioniert.