有色玻璃 vs 镀膜干涉：机器视觉滤光片选型指南

导语

在机器视觉系统的搭建中，我们往往将大量精力花在相机分辨率、镜头畸变和光源打光的选择上。然而，你是否遇到过这样的情况：

明明光打得很足，图像依然灰蒙蒙一片？

金属工件反光严重，算法根本无法抓取特征？

用了昂贵的滤光片，画面边缘却出现了诡异的颜色偏差？

其实，一个低成本的滤光片（Filter），往往能解决成千上万的硬件升级都解决不了的问题。它是光学系统中的“对比度增强器"。

今天，我们基于实战经验，深入聊聊机器视觉滤光片的两大核心流派、致命的“蓝移"陷阱，以及如何用几十块钱的玻璃实现10倍的对比度提升。

01 有色玻璃 vs 镀膜干涉：谁是你的较佳选择？

在机器视觉领域，滤光片主要分为两大门派：有色玻璃滤光片（Colored Glass）和镀膜干涉滤光片（Coated Interference）。了解它们的底层逻辑，是选型的第壹步。

1. 有色玻璃滤光片：稳重的老实人

这类滤光片通过在玻璃材料中掺杂特定元素来改变吸收和透过光谱。

• 优点： 成本相对较低；最重要的是，它对角度不敏感。 无论你用的是广角镜头还是倾斜拍摄，它的透射波长都不会发生漂移。

• 缺点： 截止波段较宽（Cut-on wavebands），透射曲线的坡度较缓，透过率通常不如镀膜滤光片高。

图 1：多款不同颜色玻璃滤光片的透射曲线

2. 镀膜干涉滤光片：精准的特种兵

通过在基底上沉积高低折射率交替的介质层，利用光的干涉原理工作。

• 优点： 截止非常陡峭（Sharp cut-off），透过率较高，阻断能力（OD值）更强。

• 缺点： 成本较高，且存在角度敏感性（详见下文）。

划重点： 绝大多数机器视觉应用并不需要OD 4以上的光密度。盲目追求高OD值只会增加不必要的成本。

图 2：长通、短通滤光片透射曲线示例（a）以及带通、陷波滤光片透射曲线示例（b）

02 警惕隐形杀手：“蓝移"现象（Blue Shift）

这是很多工程师容易“翻车"的地方。

当你使用镀膜干涉滤光片配合广角镜头（短焦距）时，必须格外小心。

干涉滤光片通常是针对0°入射角设计的。但在机器视觉中，滤光片通常安装在镜头前方。广角镜头的视场角（FOV）很大，意味着边缘光线会以较大的角度穿过滤光片。

物理原理：随着入射角（AOI）的增加，光线穿过滤光片膜层的光程变长，导致中心波长向短波方向移动——这就是“蓝移"。

后果：

• 如果你用的是50mm镜头（窄角），蓝移可能不明显。

• 如果你用的是4.5mm镜头（广角），图像中心的波长可能是准确的，但图像边缘的波长已经发生了偏移，甚至导致目标特征在边缘“消失"。

图 3：带通滤光片在 15° 入射角下的蓝移示例。需注意，不仅中心波长向短波方向偏移，滤光片的透过曲线斜率也会变缓。虚线曲线为滤光片在 0° 入射角下的理想状态。

避坑指南： 如果必须使用广角镜头，且对波长选择要求不高，有色玻璃滤光片往往是比干涉滤光片更安全、更具性价比的选择。

03 实战演练：如何用滤光片“化腐朽为神奇"？

滤光片的核心使命只有一个：增强对比度（Contrast）。

案例一：胶囊分拣——从8.7%到86.5%的飞跃

假设我们要分拣混合在一起的红色和绿色胶囊。

在白光背光下，使用黑白相机拍摄，你会发现：红色胶囊和绿色胶囊在灰度图上几乎是一样的灰色。

数据说话：此时两者的对比度仅为 8.7%。这远低于机器视觉系统稳定运行建议的20%较低对比度。环境光稍有波动，系统就会误判。

解决方案：根据色轮原理（Color Wheel），使用与物体颜色相反的滤光片可以加深其颜色（变暗），使用相同颜色的滤光片可以使其变亮。

我们在镜头前加一片绿色有色玻璃滤光片：

• 绿色胶囊变亮（光线透过）；

• 红色胶囊变暗（光线被吸收）。

结果：对比度瞬间飙升至 86.5%！提升了近10倍。我们没有更换昂贵的相机，没有重新设计光源结构，仅用一片滤光片就解决了问题。

图 4：同一视觉系统检测下的四个液囊样品，本图为彩色显示

图 5：采用单色相机拍摄的胶囊，获得的对比度为 8.7%

图 6：使用单色相机搭配绿色有色玻璃滤光片拍摄胶囊，所得对比度为 86.5%

案例二：消除眩光——偏振片的妙用

面对金属、玻璃等高反光物体，眩光是特征提取的死敌。

此时，你需要“双偏振"方案：

1.在光源前加装起偏器（Polarizer）；

2.在镜头前加装检偏器（Analyzer）。

关键操作：必须将两个偏振片的偏振轴调整为正交（90°垂直）状态。这样，物体表面直接反射的强光（保持了原偏振态）会被镜头前的检偏器阻挡，而漫反射光则能进入成像。

图 7：无滤光片拍摄图像（a），存在强眩光；

加装偏振滤光片拍摄图像（b），眩光得到抑制

04 总结与建议

在机器视觉设计中，滤光片不应是“补救措施"，而应是“设计初衷"。

1.简单场景： 优先考虑有色玻璃滤光片，便宜、耐用、无视角度问题。

2.精密测量： 需要极窄带宽或陡峭截止时，选择镀膜干涉滤光片，但务必计算镜头的视场角，警惕“蓝移"。

3.光控与反光： 善用中性密度片（ND）控制亮度，善用偏振片消除眩光。

不要让低对比度成为你系统的瓶颈。

还没找到合适的滤光方案？

不同的波段、不同的镜头焦距、不同的光源环境，都需要匹配特定的滤光片。

如果您正在为机器视觉系统的成像质量发愁，或者在选型上有困惑，欢迎联系我们。

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