《机器视觉实用教程》-第二章 基础光学-2.4 三大光学现象

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《机器视觉实用教程》-第二章 基础光学-2.4 三大光学现象

2.4 三大光学现象反射

反射（Reflection）：波（不限于可见光）在传播过程中从一种媒质射向另一种媒质时，在两种媒质的界面上有部分波返回原媒质的现象。

反射：声波、光波或其他电磁波遇到别的媒介分界面而部分或全部仍在原物质中传播的现象叫反射。其由表面返回辐射，不改变波长。反射可以是镜面反射，从光滑的表面反射；也可以是漫反射，从粗糙表面反射。下面左图为镜面反射，右图为漫反射。

图4 镜面反射与漫反射

图4 镜面反射与漫反射

incident Ray：入射光

Reflected ray：反射光

Reflecting Surface：反射面

angle of incidence：入射角

angle of reflection：反射角

Diffuse Reflection：漫反射

反射在机器视觉中的应用

反射现象在机器视觉的光源选择上是应用最多的光学现象。需要选择什么形状的光源将目标的什么特征照亮什么特征不照亮，就是利用反射来考虑的。光源如何摆放，设置成什么角度光线能进入到镜头相机中，利用的是反射定律。

折射

折射（Refract） ：光从一种透明介质（如空气）斜射入另一种透明介质（如水）时，传播方向一般会发生变化，这种现象叫光的折射。此处，折射并不只是光的特性，电磁波都应有这种特性，二介质并不一定非要透明，不透明的也一样有折射，X射线就可以穿过不透明的物体。

图5 折射

图5 折射

折射现象

　　鱼儿在清澈的水里面游动,可以看得很清楚.然而,沿着你看见鱼的方向去叉它,却叉不到.有经验的渔民都知道,只有瞄准鱼的下方才能把鱼叉到.

　　从上面看水,玻璃等透明介质中的物体,会感到物体的位置比实际位置高一些.这是光的折射现象引起的.

　　由于光的折射,池水看起来比实际的浅.所以,当你站在岸边,看见清澈见底,深不过齐腰的水时,千万不要贸然下去,以免因为对水深估计不足,惊慌失措,发生危险.

把一块厚玻璃放在钢笔的前面,笔杆看起来好像"错位"了,这种现象也是光的折射引起的。

折射在机器视觉中的应用

折射现象在机器视觉的镜头设计中肯定是要涉及到了。不考虑折射，是无法设计好的镜头的。而对目标取像时，折射现象应用就比较少。但是也不是没有应用，如有些玻璃的边缘检查、玻璃中的缺陷检查，也是可以通过折射来应对的。另外在一些不透明的物体内部的检查（如钢材质量等）检查时，需要利用X等射线进行检查。虽然这其中也会发生折射现象，但这并不是利用折射现象，而是利用了X射线的强穿透性。

图6 不同形状透镜的折射

图6 不同形状透镜的折射

衍射

衍射（Diffraction） ：又称为绕射，波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象。衍射现象是波的特有现象，一切波都会发生衍射现象。当光的波前通过不透明边缘或者透过孔洞时，会产生一个较弱的次级波前。这次级波前会干扰主波前作为各种不同形式的衍射模式。

图7 衍射

图7 衍射

Incident Wavefront：入射波前

Secondary Wavefront:次级波前  

Diffracted Wavefront:衍射波前

图8 单缝衍射现象

图8 单缝衍射现象

产生衍射的条件

由于光的波长很短，只有十分之几微米，通常物体都比它大得多，但是当光射向一个针孔、一条狭缝、一根细丝时，可以清楚地看到光的衍射。用单色光照射时效果好一些，如果用复色光，则看到的衍射图案是彩色的。任何障碍物都可以使光发生衍射现象，但发生明显衍射现象的条件是“苛刻”的。当障碍物的尺寸远大于光波的波长时，光可看成沿直线传播。注意，光的直线传播只是一种近似的规律，当光的波长比孔或障碍物小得多时，光可看成沿直线传播；在孔或障碍物可以跟波长相比，甚至比波长还要小时，衍射就十分明显。由于可见光波长范围为4×10-7m至7.7×10-7m之间，所以日常生活中很少见到明显的光的衍射现象。

衍射在机器视觉中的应用

在机器视觉的选择光源时，有时需要考虑衍射现象，物体表面不可能是理想的平面，因此在这不平的表面上是会产生衍射现象的。在相同的表面上，入射光的波长越长，衍射就越厉害。所以通常我们检查表面上的划痕时，使用红光划痕不太明显，而使用蓝光时，划痕却要明显许多，就是因为红光更容易在表面产生衍射，而将划痕腐蚀掉。另外在镜头的分辨率中，有一个利用圆孔衍射得到的瑞利判据，也是利用衍射得到的。瑞利准则，或瑞利判据（Rayleigh criterion）表示了一个光学仪器的角分辨度（Angular resolution）。角分辨率可以大约定义为：

角分辨率可以大约定义为

当需要分辨的两个目标与镜头之间的夹角小于上面得到的角度 时，则无法分辨两个目标。其中R为圆孔半径（2R则为直径D），λ为入射光的波长，可见λ越小（如电子显微镜）、R越大（如天文望远镜），则角分辨率的值越小，从而可以分辨的目标也就越细。

图9 瑞利判据

图9 瑞利判据

左图能分辨，中图恰能分辨，右图不能分辨