【光电智造】如何为机器视觉应用选择适当的光源？

来源:今日光电发布时间:2023-02-032129浏览

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为什么光源在机器视觉应用中非常重要？

机器视觉系统是通过分析来自物品的反射光线而非物品本身来生成图像的。因此，至关重要的是，了解光线是如何从我们正在检测的生产元件上反射出去的。要了解这一点，我们必须知道物品的生产材料、尺寸、形状和表面处理。另外，即使我们使用单色检测系统（红色元件与粉色元件的光线反射方式不同），物品的颜色也非常重要。所有这些特点都会影响光线是如何被反射的，并且可能会给高品质图像的创建带来挑战。寻找适当的光源有助于处理看似复杂的应用，并极大地简化应用。

同时，光源还可能影响计算机分析生成可行图像的难易程度。高品质图像源于适当的焦距和照明。对比度差和照明不均匀的图像需要成像计算机花费更多的精力，最终会增加处理时间，并可能增加错误图像分析的次数。一般来说，对比度高的图像最容易处理。请考虑上面显示的图像（图1）。良好的图像处理系统能够识别两个图像中的“+”符号，但识别上面的图像的可重复性将降低，这是因为相比下面的图像，这个图像的对比度更低。如果适当控制照明，机器视觉系统将可以轻松处理图像，并提供高度的可靠性/可重复性。

由于图像是在光线从物品上反射回来时创建的，照射到物品并反射到相机的光线被视为明亮的光线。如果光线从相机上反射回来（或者被物品吸收），该物品将被视为暗物品。机器视觉系统通常专注于亮区域与暗区域之间的差异，以得出边线、质地或标识的相关结论，这些都是检验操作的重要参数。

光源类型

所采用光线的波长也可能是检验过程中的一个重要变量。若采用特殊光线色彩的照明，则更容易区分对比性色彩，因为它们在图像中将显得很暗。这种技术可用于提升瓶盖上的日期代码质量。

红外光可用于突出显示农产品上的擦伤，紫外光可使墨水或胶水发出荧光（请注意，如果采用红外光或紫外光，则应当在相机上使用滤波器，以便可以看到物品的荧光，而不是光线本身）。

照明技术

选择适当的照明技术将有助于处理特定应用的特殊问题。市场上提供许多选项，每个选项对于特定的应用而言都有优点和缺点。目前共有五种基本技术可用于为待检验的元件提供照明：背光照明、直接照明、结构化照明、轴上散射照明和离轴散射照明。

背光照明创造出一个轮廓，以突出元件的形状，并允许对元件进行测量，但其完全掩盖了所有表面细节。其通过生成一个图像（大部分为白底黑色元件图像），产生最大的对比度。检验应用可以采用这种技术进行尺寸测量，但对于表面检验来说，背光照明是没有用的。这项技术的一个挑战在于夹具难度。任何用于固定待检验元件的机械夹具都可能会遮挡背光光线。请考虑下面的例子。

准直光是指将光线对齐，确保始终是平行的，其非常适用于创建高清图像（图3）。

漫射光可通过使准直光照射穿过毛玻璃来产生，其减少了光线强度，提供更柔和、更均匀的照明，避免产生眩光或阴影。

检验元件时，另一个考虑因素是采集元件图像时，元件的移动速度，还有相机的曝光时间。这些因素都将影响光源的选择。

要简化应用，我们必须首先明确目标，并专注于重要的检验因素。了解目标之后，我们可以专注于选择光源，确保突出显示正在寻找的特征或缺陷，并忽略图像中不需要的元素。

第二种光明技术是直接正面照明。通常情况下，光线从一个稍微偏离中心的角度照射出来。这样的光源很容易设置，它可以创建卓越的对比度，但也可能会创建阴影和产生眩光，这取决于待检验元件的表面。如果图像存在对比度低的问题，创建阴影可能是需要的，以提升对比度。并且，直接照明可用于通过频闪冻结移动。关于移动光源的效果示例，请考虑下面的图像。

如果需要最大限度地减少阴影，可以采用一个以上的直接照明装置。出于这个目的，一些系统采用环形灯，其可以完全包围待检查的元件。

另一种照明技术是结构化照明。结构化照明利用已知的光线图案（通常是产生一条线的光线平面），其用于获取尺寸信息。通常情况下使用高度准直的光源，如激光或光纤线性光源等。这种技术提供价格低廉的方式来测量连续表面的深度和高度，通常在光源或表面移动的情况下使用。另外，它还可以显示对比度低的元件上的表面细节。用户应当确保待测量的元件不会吸收光线，这是因为为了确保待测量元件上的照明效果，需要将光线反射出去。图4a和图4b显示了线性光源从完全平坦和不连续的表面反射出去的效果。

轴上散射照明（“DOAL”）允许光线直接照亮与相机位于同一条线上的元件，光源不会阻碍相机采集图像。这可以使用 50%镀银的反射镜将光线直接反射到元件上来实现。相机通过反射镜寻找元件，以采集被照亮元件的图像。

轴上散射照明应用包括检测光亮、平坦表面上的缺陷，或者检验小孔洞内部。由于DOAL光源穿过镀银反射镜后损失了强度，因此，建议采用额外的光源来提高照度或物品上光线的一致性。

图5a和5b显示了使用DOAL如何能够消除反射眩光，从而使一些应用中的表面特征检验变得更容易。

本文要介绍的最后一种照明技术是离轴漫射照明，也称为“阴天照明”或“穹顶照明”。采用这种技术时，光线不是直接反射到元件上，而是首先反射到一个漫反射面上，然后“ 回弹”到元件上。

离轴漫射照明技术会消除阴影，就好像我们在阴天查看东西一样。同时，它还避免产生元件检验应用中可能引起问题的热斑或眩光。当采用穹顶照明时，如果相机通过反射器圆顶中的一个孔来采集图像，图像中央可能会有一个盲区。因此，当使用反射器时，添加一个DOAL光源可能有利于填补该盲区。

对于空间受限的应用，平顶灯适用于放置在相机与元件之间，其可以产生类似于弧形顶灯的效果。

始终开启或频闪

在机器视觉应用中，光源是始终开启或频闪的。通过光线频闪，我们可以增加光线强度，并且光源可以保持更长的使用寿命，更有用的一项功能是阻止移动。但频闪需要加以控制。这个时机必须与图像采集精确协调，否则，图像强度将会有所不同。另外，在使用频闪照明时，还需要考虑人为因素。闪烁的灯光可能导致操作员癫痫发作或头痛。

设计机器视觉系统时，非常重要的一点是，需要考虑机器待安装区域内环境光线的影响。用于照亮元件的光线必须足够明亮，能够覆盖掉任何照射在元件上的环境光线，以确保检验系统的特殊照明能够实现预期的效果。环境光线可能导致元件上出现额外的眩光。另外，环境光线还可能出现变化，这取决于操作员可能站立的位置、一天中的时间、天气和一年中的季节。当您为检验系统选择光源以及设计机器的安装布局时，所有这些问题都需要考虑到。

光源

卤素灯是一种类型的光源，适用于需要非常明亮光线的应用，许多新型汽车前灯都是卤素灯，但这种光源也存在局限性，事实上，它们无法提供频闪功能，运行一段时间后会变得非常热，并且随着时间的推移，它们会损失一些强度。如果您将这种类型的光源用于一个检验应用，以最大功率的80%运行有利于延长使用寿命，并保持电压稳定，以避免颜色变化。如果您的应用对其产生的卤素热量敏感的话，使用光纤光学元件，可以将灯具安装在距离元件较远的位置。

白炽灯是另一种类型的光源。这类灯泡价格低廉，并且很容易买到，但它们无法提供频闪功能，容易产生热量，并且随着时间的推移，它们会略微损失一些强度。

荧光灯光源价格相对便宜，市场上提供许多形状和尺寸选择。这类光源提供漫射光线，最大程度地减少了眩光，局限性包括无法提供频闪功能，随着时间的推移，质量会下降，并且难以调节光线强度。由于交流电源频率的原因，荧光灯还会出现闪烁，这可能会影响视觉检验应用的图像质量。使用高频镇流器可以帮助减少闪烁量，但不能完全消除。

光是一种高度准直的光源，具有高强度，从而可以将它们安装在距离待检验物品一定距离的位置。目前有一种特殊类型的激光，称为“二极管激光”，可以提供频闪功能。激光通常用于进行距离测量，有时还进行三维测量，但无法进行高精度测量。激光传统上非常昂贵，并且需要采取特殊的安全预防措施，因为它们可能带来潜在的安全隐患。如果您的应用需要这种光源，光纤光学元件可以提供更安全的准直光源选择。

许多较旧的频闪系统采用氙气灯。氙气适合提供频闪功能，因为它能够在很短的时间内提供非常高的强度，从而产生移动停止的印象。但随着时间的推移，氙气频闪的强度会降低，目前市场上很少使用氙气光源。

一个更好的替代方案是使用二极发光管（LED）。这类光源是当前机器视觉应用中最常见的光源。它们具有非常长的使用寿命，超过10000小时，并且提供频闪功能，还可以连续开启，不会产生热量。同时，LED使用起来非常安全、高效，您可以在市场上找到几乎任何颜色或特定波长的LED光源。虽然早期的 LED光源亮度有限，但现代的LED可以非常明亮（考虑一下有多少新型汽车正在使用LED外部照明）。

下面的图表比较了不同的光源替代方案，以了解它们对于不同应用的适用性。

集成光源

机器视觉用户可以选择购买含有集成光源的系统。集成光源简化了设置，并突出显示特殊的元件或特征，无需购买、安装和供电额外的光源。一些配有集成光源的视觉系统还提供使用软件控制强度和光线频闪的额外益处，无需额外的设备。由于无需外部光源和电源，配有集成光源的系统更容易在生产线上难以到达的空间内安装和使用。同时，集成光源还更加经济实惠。

总结

市场上有许多光源选项，也有许多不同的视觉系统构建和定向方式。选择适当的光源可以使机器的生产率产生显著的变化。规划一套新的自动化检验系统时，首先要做的是了解待检验的元件——通过检验元件，需要了解元件的哪些方面，比如表面处理、颜色等。同样重要的是了解生产环境。然后，审查不同光源的优点和缺点。选择适当的光源后，下一个决定是如何定位光源，以确保最大的有效性。通过适当的光源组合以及光源相对于元件的安装方式，相机可以根据需要忽略或强调元件特征，以确保生成清晰、一致的图像，从而满足应用的检验需求。机器视觉专家可以帮助您确定最佳光源和光源定位选择，以满足您的特定应用需求。

来源：机器视觉沙龙