光源波长怎么选?红光、蓝光、红外、紫外的成像差异

上两篇把打光几何说完了,这篇换个轴:波长。现场挺常见的一种情况------白底红字的标签,白光看着还行,换成红光一打,字几乎融进背景里;换成蓝光,字又一下子黑得发亮。亮度旋钮拧到头也救不回来,因为问题不在亮不亮,在颜色对不对。

选波长大概就三件事:补色提对比、波长带来的衍射和穿透差异、滤光片跟 LED 峰怎么配对。红外、紫外再单独说两句,别一上来就往"高级"上靠。

补色一换,对比度能差一个数量级

颜色这件事,黑白相机其实也吃这一套。某种颜色的墨、涂层,对"自己颜色"的光反射强,对补色光反射弱。红字遇到红光,差不多跟白纸一样亮;遇到蓝光、绿光,墨就把光吞了,字变黑。

我按现场 A/B 试灯那种量级估了一组灰度(同一曝光、黑白相机):白光下背景 200、红墨 95,Michelson 对比度

C=Imax⁡−Imin⁡Imax⁡+Imin⁡ C=\frac{I_{\max}-I_{\min}}{I_{\max}+I_{\min}} C=Imax+IminImax−Imin

大约 0.36。红光 630 nm 时背景 205、墨 175,CCC 掉到 0.08 ,算法阈值怎么拧都不稳。绿光 525 nm 到 0.64,蓝光 450 nm 到 0.77。说白了,同一张标签,换一盏灯,对比度能差将近十倍。

经验上我会这么记:要让某种颜色"发黑",就用它的补色去打------红目标试蓝/绿,蓝目标试红/黄,黄目标试蓝。金属件本身没颜色,波长主要影响的是衍射和相机量子效率,别在金属上硬套补色故事。还有个坑:彩色相机 Bayer 插值后,换单色光会让某通道特别亮、另两通道几乎空,边缘容易毛;工业检测多数还是黑白相机 + 单色灯更干净。

波长一长,艾里斑跟着涨

衍射这块前面聊光圈时写过,艾里斑直径跟波长成正比:

dAiry=2.44 λ Fw d_{\mathrm{Airy}}=2.44\,\lambda\,F_w dAiry=2.44λFw

λ\lambdaλ 用微米,FwF_wFw 是工作 F 数。同一光圈下,红光的斑就是比蓝光大一截。

代个数:Fw=4F_w=4Fw=4,蓝光 450 nm 时 d≈4.39d\approx 4.39d≈4.39 µm,红光 630 nm 时 d≈6.15d\approx 6.15d≈6.15 µm,红外 850 nm 到约 8.30 µm。红光比蓝光大约 1.4 倍,红外差不多是蓝光的 1.9 倍。像元若是 3.45 µm,常用判据是艾里斑别明显超过 2p≈6.902p\approx 6.902p≈6.90 µm------蓝光、红光在 F4 还过得去,红外 850 已经略超,图会开始发软。追景深把光圈收到 F8,红光斑到 12.3 µm,那真是糊了。

所以高精度边缘、小缺陷,能用蓝光我就优先蓝;红外只在"必须穿一层东西"或者"可见光干扰太大"时才上,别为了"显得专业"硬换。紫外 365 nm 在同一 F4 下斑只有约 3.56 µm,衍射上最友好,但镜头镀膜、相机响应、眼睛安全都要另算账,不是随手换一盏灯的事。

红外往里钻,紫外蹭表面

红外常见 850 nm、940 nm。有些半透明塑料、油墨层、薄纸,可见光打上去全是表面反光,红外能透进去一点,把底下的结构或者填充料衬出来。打印在塑料膜上的浅色字,可见光对比度差,红外有时反而清楚------这不是补色,是穿透差。我遇过一层薄油膜盖住的字符,白光、蓝光怎么打都花,换 850 红外以后字轮廓出来了,算法才稳得住。

代价也实在:斑更大,镜头若没标红外会跑焦------可见光对好的焦点,红外要重新调一截。黑白 CMOS 到 850 还有点响应,再往 940、1100 就掉得厉害,曝光和增益都得补,噪声跟着上来。另外红外对眼睛不显眼,灯亮着人未必察觉,调试时别拿脸凑太近长时间盯。

紫外多用来做荧光或者只看表面。涂层、胶水、某些防伪油墨在 UV 下会发光,缺陷和杂质有时比可见光显眼。UV 波长短,穿透浅,更偏"蹭表面",适合看表层划痕、污染。现场要注意:普通玻璃镜头对 UV 不友好,该用石英或标了 UV 的镜头;人也别裸眼长时间盯着 UV 灯。我自己的习惯是------能用可见光补色解决的,先别上 UV;真要荧光,再单独开一条 UV 方案,光源、镜头、防护一起定,别临时拿实验台灯凑合。

滤光片要对准 LED 的峰

单色灯再窄,车间里的日光灯、窗外光还是会灌进镜头,把对比度洗淡。这时候在镜头前加一片带通滤光片,窗口对准 LED 峰值,环境光大半挡在门外。

还是红光 630 nm 那套,粗算一笔:没滤光片时,特征上 LED 贡献记为 100、环境光 40,信杂比 S/A=2.5S/A=2.5S/A=2.5。滤光片在峰处透过约 0.90,对环境光等效透过大约 0.08(窄带通对宽带环境就是这么狠),于是 S′=90S'=90S′=90、A′=3.2A'=3.2A′=3.2,S/AS/AS/A 跳到约 28,差不多十一倍。用一个简单的特征/背景模型估 Michelson,对比度大约从 0.40 提到 0.63。数是示意的,但方向对:滤光片不是装饰件,是把"该进的光留下、不该进的挡掉"。

选型时看两眼就够:LED 峰值波长、滤光片中心波长和半高宽。窗口太窄,灯稍微批次漂移或者温度一变,峰偏出去透过就掉;太宽,环境光又漏进来。一般比 LED 的 FWHM 略宽一点就行。滤光片装反、沾油,透过率也会掉,拧到镜头上之前擦一下。偏振片是另一路故事,下篇再写;偏振和带通可以叠,但光量会再砍一刀,曝光要留余量。

还有个土办法:怀疑环境光在捣乱,就用手遮一下窗外或者关掉附近日光灯,看对比度有没有跳。跳得明显,滤光片基本该上;不怎么跳,先别加,少一层玻璃少一层鬼影和衰减。

现场我换波长的顺序大致是:先看目标有没有明显颜色------有就试补色;没有就按精度需求选蓝/绿,红外、紫外当特例。灯定了再考虑要不要加滤光片。别一上来就买"全波段套装",多数项目一盏选对的单色灯加一片滤光片就够用。


下篇聊偏振光去金属反光。

相关推荐
weixin_4684668515 小时前
让机器像视网膜一样“看”:事件相机与脉冲神经网络如何重构视觉感知
人工智能·神经网络·ai·机器视觉·1024程序员节
朗锐智科_机器视觉2 天前
纺织布匹表面疵点视觉检测实战:从验布机到成品检验的完整方案设计
视觉检测·机器视觉·工业相机·硬件选型·朗锐智科·纺织检测
LittroInno4 天前
运动平台上的巡检相机:曝光时间与快门该怎样选?
数码相机·机器视觉·曝光时间·运动模糊·滚动快门·巡检相机
yuhouxiyang4 天前
镜头接口与后截距:C 口、CS 口、M42、F 口及接圈原理
机器视觉·c口·镜头选型·镜头接口·接圈
LittroInno8 天前
云台相机变焦以后,哪些标定需要重新检查?
相机标定·机器视觉·设备维护·变焦镜头·云台控制
yuhouxiyang8 天前
景深计算公式推导:容许弥散圆、光圈与放大倍率的关系
机器视觉·光圈·景深·景深计算·镜头选型
朗锐智科_机器视觉9 天前
食品包装视觉检测实战:从产线触发到缺陷剔除的完整方案设计
机器视觉·工业相机·硬件选型·图像采集卡·朗锐智科·食品包装
Yan-英杰9 天前
【论文精读】MSD-ResNet50:多尺度动态卷积 + CBAM,如何把梅花鹿个体识别准确率从 74.2% 提升到 88.7%?
人工智能·卷积神经网络·机器视觉
yuhouxiyang9 天前
光圈 F 数与通光量:为什么关小光圈图像会变暗也会变清晰
机器视觉·工业镜头·光圈·景深·f数