機(jī)器視覺(jué)光源

　　光源

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要由圖像采集、圖像處理與分析、輸出或顯示三部分組成。圖像采集是機(jī)器視覺(jué)的核心，圖像采集系統(tǒng)由光源、鏡頭和攝像頭組成。光源的選擇和照明的合理性至少可以直接影響30%的成像質(zhì)量。因此，光源是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中非常重要的一部分。

　　影響

　　通過(guò)適當(dāng)?shù)墓庹赵O(shè)計(jì)，可以優(yōu)化分離圖像中的目標(biāo)信息和背景信息，可以大大降低圖像處理算法分割和識(shí)別的難度，同時(shí)提高系統(tǒng)的定位和測(cè)量精度，從而提高系統(tǒng)的可靠性和綜合性能。反之，如果光源設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致圖像處理算法和成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)事半功倍。因此，光源和光學(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，提高圖像的信噪比；

　　提高視覺(jué)系統(tǒng)的定位、測(cè)量和識(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

　　1.環(huán)形光源

　　環(huán)形光源提供不同的照明角度和不同的顏色組合，可以更好地突出物體的三維信息；高亮度高密度LED陣列；多種緊湊設(shè)計(jì)節(jié)省安裝空間；解決對(duì)角光照陰影問(wèn)題；可選的擴(kuò)散板可以導(dǎo)光，光線擴(kuò)散均勻。應(yīng)用領(lǐng)域：PCB基板檢測(cè)、IC元器件檢測(cè)、顯微鏡照明、液晶校正、塑料容器檢測(cè)、集成電路印刷檢測(cè)

　　2.背后照明

　　利用高密度LED陣列面提供高強(qiáng)度背光照明，可以突出物體的輪廓特征，特別適合作為顯微鏡載物臺(tái)。紅白兩用背光和紅藍(lán)兩用背光可以混合不同的顏色，以滿足不同被測(cè)對(duì)象的多色要求。應(yīng)用領(lǐng)域：機(jī)械零件尺寸測(cè)量、電子元器件和ic的外觀檢查、薄膜污點(diǎn)檢查、透明物體劃痕檢查等。

　　3.條形光源

　　條形光源是大型方形結(jié)構(gòu)物體的首選光源。顏色可以根據(jù)需要搭配，自由組合；照射角度和安裝可隨意調(diào)整。應(yīng)用：金屬表面檢測(cè)、圖像掃描、表面裂紋檢測(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帶來(lái)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，均勻照射物面。應(yīng)用領(lǐng)域：系列光源最適合檢測(cè)金屬、玻璃、薄膜、晶圓等表面的劃痕。檢測(cè)芯片和硅片的損壞，定位標(biāo)記點(diǎn)，識(shí)別包裝條碼。

　　5.AOI特殊光源不同角度的三色照明，凸顯焊錫的立體信息；加擴(kuò)散板導(dǎo)光，減少反射；不同角度的組合；應(yīng)用領(lǐng)域：用于電路板的焊接測(cè)試。

　　6.球形整體光源

　　整體效果的半球形內(nèi)壁將底部發(fā)出的光線均勻反射360度，使得整個(gè)圖像的照度非常均勻。應(yīng)用領(lǐng)域：適用于曲面、凹凸面、曲面的檢測(cè)，或金屬、玻璃表面強(qiáng)反光物體的檢測(cè)。

　　7.線性光源

　　超高亮度，柱面透鏡對(duì)焦，適用于各種生產(chǎn)線的連續(xù)檢測(cè)。應(yīng)用領(lǐng)域：陣列攝像機(jī)專用于照明和AOI。

　　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貏e適合作為透鏡的同軸光源；高效散熱裝置，大大提高光源的使用壽命。應(yīng)用領(lǐng)域：適用于遠(yuǎn)心透鏡，用于芯片檢測(cè)、標(biāo)記點(diǎn)定位、晶圓和液晶玻璃基板校正。

　　9.組合條形光源

　　四面裝有條形燈，每一面的照度都是獨(dú)立可控的；所需照明角度可根據(jù)被測(cè)物體的要求進(jìn)行調(diào)整，適用性廣。應(yīng)用案例：CB基板檢測(cè)、IC元器件檢測(cè)、焊錫檢測(cè)、標(biāo)志點(diǎn)定位、顯微鏡照明、包裝條碼照明、球形物體照明等。

　　10.對(duì)準(zhǔn)光源

　　對(duì)準(zhǔn)速度快；視野大；精度高；體積小，便于檢測(cè)和集成；高亮度，可選輔助環(huán)形光源。應(yīng)用領(lǐng)域：VA系列光源是自動(dòng)線路板印刷機(jī)對(duì)位專用光源。

　　發(fā)光二極管光源的特性

　　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、綜合性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，在行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

　　形狀自由

　　一個(gè)LED光源由多個(gè)單個(gè)的LED組成，所以相對(duì)于其他光源，可以做成更多的形狀，更容易根據(jù)用戶的情況來(lái)設(shè)計(jì)光源的形狀和大小。

　　長(zhǎng)使用壽命

　　為了使圖像處理單元獲得準(zhǔn)確和可重復(fù)的測(cè)量結(jié)果，照明系統(tǒng)必須確保它能夠長(zhǎng)期提供穩(wěn)定的圖像輸入。連續(xù)運(yùn)行10000到30000小時(shí)后，LED光源亮度下降，但遠(yuǎn)好于其他類型的光源。此外，通過(guò)使用控制系統(tǒng)使其間歇工作，可以抑制發(fā)光管的發(fā)熱，使用壽命將提高一倍。

　　響應(yīng)速度快

　　LED發(fā)光管響應(yīng)時(shí)間很短。響應(yīng)時(shí)間的真正含義是保證多個(gè)光源或一個(gè)光源的不同區(qū)域之間根據(jù)需要進(jìn)行工作切換。用專用控制器給LED光源供電時(shí)，達(dá)到最大照度的時(shí)間不到10 s。

　　顏色多樣性

　　除了光源的形狀，獲得穩(wěn)定圖像輸入的另一個(gè)方面是選擇光源的顏色。即使是形狀相同的光源，也會(huì)因?yàn)轭伾煌玫讲煌膱D像。事實(shí)上，如何利用光源顏色的技術(shù)特性來(lái)獲得最佳的對(duì)比度圖像效果一直是光源發(fā)展的主要方向。綜合運(yùn)行成本低

　　選擇價(jià)格低廉、性能無(wú)保障的產(chǎn)品，初期的投資節(jié)省很快就會(huì)被日常的維護(hù)和維修費(fèi)用抵消。其他光源不僅耗電量是LED光源的2-10倍，而且?guī)缀趺總€(gè)月都需要更換，浪費(fèi)了維修工程師很多寶貴的時(shí)間。而且光源投入越多，設(shè)備更換和人工成本就越大。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，選擇壽命長(zhǎng)的LED光源是經(jīng)濟(jì)的。

　　如何選擇

　　環(huán)境需求分析

　　1.了解客戶對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和操作的要求，確定工業(yè)相機(jī)、光源和被測(cè)對(duì)象的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系。

　　確定的參數(shù)有：FOV，WD；

　　2.空間結(jié)構(gòu)有：直射、側(cè)射和背射；

　　直接結(jié)構(gòu)光源——部分環(huán)形光源、同軸光源和圓頂光源；

　　側(cè)發(fā)射結(jié)構(gòu)的光源——部分環(huán)形光源、條形光源、線光源和點(diǎn)光源；

　　背面照明-方形背光和條形背光。

　　物體的表面紋理和顏色分析

　　1.物體的表面是彎曲的還是平坦的？表面光滑嗎？反射強(qiáng)嗎？

　　表面檢查應(yīng)使用圓頂光源，光滑平面應(yīng)使用同軸光源，粗糙平面應(yīng)使用明場(chǎng)光源。

　　2.物體的透光率是多少？

　　紅外光源可用于透光率好的物體。

　　3.區(qū)分背景(我們不需要檢測(cè))是什么顏色，前景(我們需要檢測(cè))是什么顏色。

　　好的光源意味著好的對(duì)比度——背景和前景都很清晰。

　　4.前景顏色變化很大

　　應(yīng)使用彩色光源和白色光源；

　　選擇摘要

　　1.前景和背景需要更大的對(duì)比度？考慮使用黑白相機(jī)和彩色光源

　　2.環(huán)境光的問(wèn)題？嘗試使用帶濾光器的單色光源

　　3.閃光曲面？嘗試散射頂燈

　　閃光，平坦，但表面粗糙？嘗試同軸散射光

　　5.看表面的形狀？考慮使用暗場(chǎng)(低角度)

　　6.測(cè)試塑料時(shí)——盡量使用紫外線或紅外線

　　7.需要通過(guò)反射表面觀察特征嗎？嘗試使用低角度線光源(暗場(chǎng))

　　8.組合光源有時(shí)可以解決問(wèn)題

　　9.頻閃照明可以產(chǎn)生比正常明亮照明強(qiáng)20倍的光

　　如何點(diǎn)亮

　　通用照明：

　　一般照明一般采用圓形或點(diǎn)狀照明。環(huán)形燈是一種常見(jiàn)的通用照明方法，它可以很容易地安裝在鏡頭上，并可以為漫反射表面提供足夠的照明。

　　背光：

　　逆光是把光源放在物體的背面，對(duì)著相機(jī)。這種照明方法與其他照明方法有很大不同，因?yàn)閳D像分析不是發(fā)光的光，而是入射的光。背光產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)比。當(dāng)應(yīng)用背光技術(shù)時(shí)，物體的表面特征可能會(huì)丟失。比如背光技術(shù)可以用來(lái)測(cè)量硬幣的直徑，但是無(wú)法判斷硬幣的正反面。同軸照明：

　　同軸照明是指與攝像機(jī)軸向方向相同的光照射在物體表面。同軸照明使用特殊的半反射鏡將光源反射到相機(jī)的鏡頭軸方向。半反射鏡只允許從物體表面反射并垂直于透鏡的光源通過(guò)。同軸照明技術(shù)對(duì)于具有鏡面特征的平面物體的均勻照明非常有用。此外，這種技術(shù)還可以突出表面角度發(fā)生變化的部分，因?yàn)閺呐c相機(jī)鏡頭不垂直的表面反射的光不會(huì)進(jìn)入鏡頭，導(dǎo)致表面變暗。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率或表面具有復(fù)雜的角度。連續(xù)漫反射照明應(yīng)為半球形均勻照明，以減少陰影和鏡面反射。這種照明方法對(duì)于照明完全組裝的電路板非常有用。這種光源可以在170立體角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻照明。

　　暗場(chǎng)照明：

　　暗場(chǎng)照明提供相對(duì)于物體表面的低角度照明。用相機(jī)在其視野內(nèi)拍攝鏡子。如果在視野內(nèi)可以看到光源，則認(rèn)為亮場(chǎng)被照亮。反之，如果在視野內(nèi)看不到光源，就是暗場(chǎng)照明。所以光源是亮還是暗，跟光源的位置有關(guān)。典型地，暗場(chǎng)照明應(yīng)用于具有突起的部件的照明或表面紋理變化的照明。

　　結(jié)構(gòu)光：

　　結(jié)構(gòu)光是一種投射在物體表面的具有一定幾何形狀(如線、圓、正方形)的光。典型的結(jié)構(gòu)光包括激光或光纖。結(jié)構(gòu)光可以用來(lái)測(cè)量從相機(jī)到光源的距離。多軸照明：在許多應(yīng)用中，為了使視野中的不同特征表現(xiàn)出不同的對(duì)比度，需要多種照明技術(shù)。