【光電智造】機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中光源的重要性

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光源

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要由三部分組成：圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示。而圖像的獲取是機(jī)器視覺(jué)的核心，圖像的獲取系統(tǒng)則是由光源、鏡頭、相機(jī)三部分組成。光源的選取與打光合理與否可直接影響至少30%的成像質(zhì)量。所以光源是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中非常重要的一部分。

作用

通過(guò)適當(dāng)?shù)墓庠凑彰髟O(shè)計(jì)，使圖像中的目標(biāo)信息與背景信息得到最佳分離，可以大大降低圖像處理算法分割、識(shí)別的難度，同時(shí)提高系統(tǒng)的定位、測(cè)量精度，使系統(tǒng)的可靠性和綜合性能得到提高。反之，如果光源設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致在圖像處理算法設(shè)計(jì)和成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)中事倍功半。因此，光源及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗是決定系統(tǒng)成敗的首要因素。

• 照亮目標(biāo)，提高目標(biāo)亮度；
  

• 突出測(cè)量特征，簡(jiǎn)化圖像處理算法；
  

• 克服環(huán)境光的干擾，保證圖像的穩(wěn)定性，提高圖像信噪比；
  

• 提高視覺(jué)系統(tǒng)的定位、測(cè)量、識(shí)別精度，以及系統(tǒng)的運(yùn)行速度；
  

• 降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，形成最有利于圖像處理的成像效果；
  

分類(lèi)

1、環(huán)形光源

環(huán)形光源提供不同照射角度、不同顏色組合，更能突出物體的三維信息；高密度LED陣列，高亮度；多種緊湊設(shè)計(jì)，節(jié)省安裝空間；解決對(duì)角照射陰影問(wèn)題；可選配漫射板導(dǎo)光，光線(xiàn)均勻擴(kuò)散。應(yīng)用領(lǐng)域:PCB基板檢測(cè)，IC元件檢測(cè)，顯微鏡照明，液晶校正，塑膠容器檢測(cè)，集成電路印字檢查

2、背光源

用高密度LED陣列面提供高強(qiáng)度背光照明，能突出物體的外形輪廓特征，尤其適合作為顯微鏡的載物臺(tái)。紅白兩用背光源、紅藍(lán)多用背光源，能調(diào)配出不同顏色，滿(mǎn)足不同被測(cè)物多色要求。應(yīng)用領(lǐng)域:機(jī)械零件尺寸的測(cè)量，電子元件、IC的外型檢測(cè)，膠片污點(diǎn)檢測(cè)，透明物體劃痕檢測(cè)等。

3、條形光源

條形光源是較大方形結(jié)構(gòu)被測(cè)物的首選光源；顏色可根據(jù)需求搭配，自由組合；照射角度與安裝隨意可調(diào)。應(yīng)用領(lǐng)域:金屬表面檢查，圖像掃描，表面裂縫檢測(cè)，LCD面板檢測(cè)等。

4、同軸光源

同軸光源可以消除物體表面不平整引起的陰影，從而減少干擾；部分采用分光鏡設(shè)計(jì)，減少光損失，提高成像清晰度，均勻照射物體表面。應(yīng)用領(lǐng)域:系列光源最適宜用于反射度極高的物體，如金屬、玻璃、膠片、晶片等表面的劃傷檢測(cè)，芯片和硅晶片的破損檢測(cè)，Mark點(diǎn)定位，包裝條碼識(shí)別。

5、AOI專(zhuān)用光源

不同角度的三色光照明，照射凸顯焊錫三維信息；外加漫射板導(dǎo)光，減少反光；不同角度組合；應(yīng)用領(lǐng)域:用于電路板焊錫檢測(cè)。

6、球積分光源

具有積分效果的半球面內(nèi)壁，均勻反射從底部360度發(fā)射出的光線(xiàn)，使整個(gè)圖像的照度十分均勻。應(yīng)用領(lǐng)域:合于曲面，表面凹凸，弧形表面檢測(cè)，或金屬、玻璃表面反光較強(qiáng)的物體表面檢測(cè)。

7、線(xiàn)形光源

超高亮度，采用柱面透鏡聚光，適用于各種流水線(xiàn)連續(xù)檢測(cè)場(chǎng)合。應(yīng)用領(lǐng)域:陣相機(jī)照明專(zhuān)用，AOI專(zhuān)用。

8、點(diǎn)光源

大功率LED，體積小，發(fā)光強(qiáng)度高；光纖鹵素?zé)舻奶娲罚绕溥m合作為鏡頭的同軸光源等；高效散熱裝置，大大提高光源的使用壽命。應(yīng)用領(lǐng)域:適合遠(yuǎn)心鏡頭使用，用于芯片檢測(cè)，Mark點(diǎn)定位，晶片及液晶玻璃底基校正。

9、組合條形光源

四邊配置條形光，每邊照明獨(dú)立可控；可根據(jù)被測(cè)物要求調(diào)整所需照明角度，適用性廣。應(yīng)用案例:CB基板檢測(cè)，IC元件檢測(cè)，焊錫檢查，Mark點(diǎn)定位，顯微鏡照明，包裝條碼照明，球形物體照明等。

10、對(duì)位光源

對(duì)位速度快；視場(chǎng)大；精度高；體積小，便于檢測(cè)集成；亮度高，可選配輔助環(huán)形光源。應(yīng)用領(lǐng)域:VA系列光源是全自動(dòng)電路板印刷機(jī)對(duì)位的專(zhuān)用光源。

LED光源特點(diǎn)

目前機(jī)器視覺(jué)光源主要采用LED（發(fā)光二極管），由于其形狀自由度高，使用壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、單色性好、顏色多樣、綜合性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)在行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用：

? 形狀自由度

一個(gè)LED光源是由許多單個(gè)LED組合而成的，因而跟其他光源相比，可做成更多的形狀，更容易針對(duì)用戶(hù)的情況，設(shè)計(jì)光源的形狀和尺寸。

? 使用壽命長(zhǎng)

為了使圖像處理單元得到精確的，重復(fù)性好的測(cè)量結(jié)果，照明系統(tǒng)必須保證相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)能夠提供穩(wěn)定的圖像輸入。LED光源在連續(xù)工作10,000到30,000小時(shí)后，亮度衰減，但遠(yuǎn)比其他型式的光源效果好。此外，用控制系統(tǒng)使其間斷工作，可抑制發(fā)光管發(fā)熱，壽命也將延長(zhǎng)一倍。

? 響應(yīng)速度快

LED發(fā)光管響應(yīng)時(shí)間很短，響應(yīng)時(shí)間的真正意義是能按要求保證多個(gè)光源之間或一個(gè)光源不同區(qū)域之間的工作切換，采用專(zhuān)用控制器給LED光源供電時(shí)，達(dá)到最大照度的時(shí)間小于10s

? 顏色多樣

除了光源的形狀以外，得到穩(wěn)定圖像輸入的另一方面就是選擇光源的顏色。甚至相同形狀的光源，由于顏色的不同得到的圖像也會(huì)有很大的差別。實(shí)際上，如何利用光源顏色的技術(shù)特性得到最佳對(duì)比度的圖像效果一直是光源開(kāi)發(fā)的主要方向。

? 綜合性運(yùn)營(yíng)成本低

選用低廉而性能沒(méi)有保證的產(chǎn)品，初次投資的節(jié)省很快會(huì)被日常的維護(hù)、維修費(fèi)用抵消。其他光源不僅耗電是LED光源的2-10倍，而且?guī)缀趺吭戮鸵鼡Q，浪費(fèi)了維修工程師許多寶貴的時(shí)間。而且投入使用的光源越多，在器件更換和人工方面的花費(fèi)就越大，因此選用壽命長(zhǎng)的LED光源從長(zhǎng)遠(yuǎn)看是很經(jīng)濟(jì)的。

如何選擇

? ?環(huán)境要求分析

1、從客戶(hù)那里了解對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行的要求，確定工業(yè)相機(jī)、光源、被測(cè)物的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系。

確定的參數(shù)有：視場(chǎng)(FOV),工作距離(WD)；

2、空間結(jié)構(gòu)有: 直射，側(cè)射，背部照射；

直射結(jié)構(gòu)的光源—部分環(huán)形光源，同軸光源，圓頂光源；

側(cè)射結(jié)構(gòu)的光源—部分環(huán)形光源，條形光源，線(xiàn)光源，點(diǎn)光源；

背部照射—方形背光源，條形背光源。

? ?物體表面紋理及顏色分析

1、物體表面是曲面還是平面？物體表面是否光滑？反光是否很強(qiáng)？
曲面檢測(cè)宜用圓頂光源，光滑平面宜用同軸光源，粗糙平面宜用明視場(chǎng)光源。

2、物體的透光性怎樣？
透光性好的物體可以用IR光源。

3、分清背景(我們不需要檢測(cè)的)是什么顏色，前景(我們要檢測(cè)的)是什么顏色？
好的光源就是有一個(gè)好的對(duì)比度－－-背景與前景很清楚。

4、前景顏色多變化
宜用彩色光源及白色光源；

? ?選擇總結(jié)

1、需要前景與背景更大的對(duì)比度?–考慮用黑白相機(jī)與彩色光源
2、環(huán)境光的問(wèn)題?–嘗試用單色光源，配一個(gè)濾鏡
3、閃光曲面?–嘗試用散射圓頂光
4、閃光，平的，但粗糙的表面?–嘗試用同軸散射光
5、看表面的形狀?–考慮用暗視場(chǎng)(低角度)
6、檢測(cè)塑料的時(shí)候–嘗試用紫外或紅外光
7、需要通過(guò)反射的表面看特征?–嘗試用低角度線(xiàn)光源(暗視場(chǎng))
8、組合光源有時(shí)也能解決問(wèn)題
9、頻閃能夠產(chǎn)生比常亮照明20倍強(qiáng)的光

如何打光

? ?一般目的的照明：

通用照明一般采用環(huán)狀或點(diǎn)狀照明。環(huán)燈是一種常用的通用照明方式，其很容易安裝在鏡頭上，可給漫反射表面提供足夠的照明。

? ?背光照明：

背光照明是將光源放置在相對(duì)于攝像頭的物體的背面。這種照明方式與別的照明方式有很大不同因?yàn)閳D像分析的不是發(fā)水光而是入射光。背光照明產(chǎn)生了很強(qiáng)的對(duì)比度。應(yīng)用背光技術(shù)時(shí)候，物體表面特征可能會(huì)丟失。例如，可以應(yīng)用背光技術(shù)測(cè)量硬幣的直徑，但是卻無(wú)法判斷硬幣的正反面。

? ?同軸照明：

同軸照明是與攝像頭的軸向有相同的方向的光照射到物體的表面。同軸照明使用一種特殊的半反射鏡面反射光源到攝像頭的透鏡軸方向。半反射鏡面只讓從物體表面反射垂直于透鏡的光源通過(guò)。同軸照明技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)扁平物體且有鏡面特征的表面的均勻照明很有用。此外此技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)使表面角度變化部分高亮，因?yàn)椴淮怪庇跀z像頭鏡頭的表面反射的光不會(huì)進(jìn)入鏡頭，從而造成表面較暗。連續(xù)漫反射照明：連續(xù)漫反射照明應(yīng)用于物體表面的反射性或者表面有復(fù)雜的角度。連續(xù)漫反射照明應(yīng)用半球形的均勻照明，以減小影子及鏡面反射。這種照明方式對(duì)于完全組裝的電路板照明非常有用。這種光源可以達(dá)到170立體角范圍的均勻照明。

? ?暗域照明：

暗域照明是相對(duì)于物體表面提供低角度照明。使用相機(jī)拍攝鏡子使其在其視野內(nèi)，如果在視野內(nèi)能看見(jiàn)光源就認(rèn)為使亮域照明，相反的在視野中看不到光源就是暗域照明。因此光源是亮域照明還是暗域照明與光源的位置有關(guān)。典型的，暗域照明應(yīng)用于對(duì)表面部分有突起的部分的照明或表面紋理變化的照明。

? ?結(jié)構(gòu)光：

結(jié)構(gòu)光是一種投影在物體表面的有一定幾何形狀的光（如線(xiàn)形、圓形、正方形）。典型的結(jié)構(gòu)光涉及激光或光纖。結(jié)構(gòu)光可以用來(lái)測(cè)量相機(jī)到光源的距離。多軸照明：在許多應(yīng)用中，為了使視野下不同的特征表現(xiàn)不同的對(duì)比度，需要多重照明技術(shù)。

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