為什么光源在機器視覺應用中非常重要？

機器視覺系統是通過分析來自物品的反射光線而非物品本身來生成圖像的。因此，至關重要的是，了解光線是如何從我們正在檢測的生產元件上反射出去的。要了解這一點，我們必須知道物品的生產材料、尺寸、形狀和表面處理。另外，即使我們使用單色檢測系統（紅色元件與粉色元件的光線反射方式不同），物品的顏色也非常重要。所有這些特點都會影響光線是如何被反射的，并且可能會給高品質圖像的創建帶來挑戰。尋找適當的光源有助于處理看似復雜的應用，并極大地簡化應用。

同時，光源還可能影響計算機分析生成可行圖像的難易程度。高品質圖像源于適當的焦距和照明。對比度差和照明不均勻的圖像需要成像計算機花費更多的精力，最終會增加處理時間，并可能增加錯誤圖像分析的次數。一般來說，對比度高的圖像最容易處理。請考慮上面顯示的圖像（圖1）。良好的圖像處理系統能夠識別兩個圖像中的“+”符號，但識別上面的圖像的可重復性將降低，這是因為相比下面的圖像，這個圖像的對比度更低。如果適當控制照明，機器視覺系統將可以輕松處理圖像，并提供高度的可靠性/可重復性。

由于圖像是在光線從物品上反射回來時創建的，照射到物品并反射到相機的光線被視為明亮的光線。如果光線從相機上反射回來（或者被物品吸收），該物品將被視為暗物品。機器視覺系統通常專注于亮區域與暗區域之間的差異，以得出邊線、質地或標識的相關結論， 這些都是檢驗操作的重要參數。

光源類型

所采用光線的波長也可能是檢驗過程中的一個重要變量。若采用特殊光線色彩的照明，則更容易區分對比性色彩，因為它們在圖像中將顯得很暗。這種技術可用于提升瓶蓋上的日期代碼質量。

紅外光可用于突出顯示農產品上的擦傷，紫外光可使墨水或膠水發出熒光（請注意，如果采用紅外光或紫外光，則應當在相機上使用濾波器，以便可以看到物品的熒光，而不是光線本身）。

照明技術

選擇適當的照明技術將有助于處理特定應用的特殊問題。市場上提供許多選項，每個選項對于特定的應用而言都有優點和缺點。目前共有五種基本技術可用于為待檢驗的元件提供照明：背光照明、直接照明、結構化照明、軸上散射照明和離軸散射照明。

背光照明創造出一個輪廓，以突出元件的形狀，并允許對元件進行測量，但其完全掩蓋了所有表面細節。其通過生成一 個圖像（大部分為白底黑色元件圖像），產生最大的對比度。檢驗應用可以采用這種技術進行尺寸測量，但對于表面檢驗來說，背光照明是沒有用的。這項技術的一個挑戰在于夾具難度。任何用于固定待檢驗元件的機械夾具都可能會遮擋背光光線。請考慮下面的例子。

準直光是指將光線對齊，確保始終是平行的，其非常適用于創建高清圖像（圖3）。

漫射光可通過使準直光照射穿過毛玻璃來產生，其減少了光線強度，提供更柔和、更均勻的照明，避免產生眩光或陰影。

檢驗元件時，另一個考慮因素是采集元件圖像時，元件的移動速度，還有相機的曝光時間。這些因素都將影響光源的選擇。

要簡化應用，我們必須首先明確目標，并專注于重要的檢驗因素。了解目標之后，我們可以專注于選擇光源，確保突出 顯示正在尋找的特征或缺陷，并忽略圖像中不需要的元素。

第二種光明技術是直接正面照明。通常情況下，光線從一個稍微偏離中心的角度照射出來。這樣的光源很容易設置，它 可以創建卓越的對比度，但也可能會創建陰影和產生眩光，這 取決于待檢驗元件的表面。如果圖像存在對比度低的問題，創建陰影可能是需要的，以提升對比度。并且，直接照明可用于通過頻閃凍結移動。關于移動光源的效果示例，請考慮下面的圖像。

如果需要最大限度地減少陰影，可以采用一個以上的直接照明裝置。出于這個目的，一些系統采用環形燈，其可以完全 包圍待檢查的元件。

另一種照明技術是結構化照明。結構化照明利用已知的光 線圖案（通常是產生一條線的光線平面），其用于獲取尺寸信息。通常情況下使用高度準直的光源，如激光或光纖線性光源 等。這種技術提供價格低廉的方式來測量連續表面的深度和高度，通常在光源或表面移動的情況下使用。另外，它還可以顯示對比度低的元件上的表面細節。用戶應當確保待測量的元件不會吸收光線，這是因為為了確保待測量元件上的照明效果，需要將光線反射出去。圖4a和圖4b顯示了線性光源從完全平坦和不連續的表面反射出去的效果。

軸上散射照明（“DOAL”）允許光線直接照亮與相機位于同一條線上的元件，光源不會阻礙相機采集圖像。這可以使用 50%鍍銀的反射鏡將光線直接反射到元件上來實現。相機通過反射鏡尋找元件，以采集被照亮元件的圖像。

軸上散射照明應用包括檢測光亮、平坦表面上的缺陷，或者檢驗小孔洞內部。由于DOAL光源穿過鍍銀反射鏡后損失了強 度，因此，建議采用額外的光源來提高照度或物品上光線的一致性。

圖5a和5b顯示了使用DOAL如何能夠消除反射眩光，從而使一些應用中的表面特征檢驗變得更容易。

本文要介紹的最后一種照明技術是離軸漫射照明，也稱為“陰天照明”或“穹頂照明”。采用這種技術時，光線不是直接反射到元件上，而是首先反射到一個漫反射面上，然后“ 回彈”到元件上。

離軸漫射照明技術會消除陰影，就好像我們在陰天查看東西一樣。同時，它還避免產生元件檢驗應用中可能引起問題的熱斑或眩光。當采用穹頂照明時，如果相機通過反射器圓頂中的一個孔來采集圖像，圖像中央可能會有一個盲區。因此，當使用反射器時，添加一個DOAL光源可能有利于填補該盲區。

對于空間受限的應用，平頂燈適用于放置在相機與元件之間，其可以產生類似于弧形頂燈的效果。

始終開啟或頻閃

在機器視覺應用中，光源是始終開啟或頻閃的。通過光線頻閃，我們可以增加光線強度，并且光源可以保持更長的使用 壽命，更有用的一項功能是阻止移動。但頻閃需要加以控制。這個時機必須與圖像采集精確協調，否則，圖像強度將會有所不同。另外，在使用頻閃照明時，還需要考慮人為因素。閃爍的燈光可能導致操作員癲癇發作或頭痛。

設計機器視覺系統時，非常重要的一點是，需要考慮機器待安裝區域內環境光線的影響。用于照亮元件的光線必須 足夠明亮，能夠覆蓋掉任何照射在元件上的環境光線，以確保檢驗系統的特殊照明能夠實現預期的效果。環境光線可能 導致元件上出現額外的眩光。另外，環境光線還可能出現變 化，這取決于操作員可能站立的位置、一天中的時間、天氣 和一年中的季節。當您為檢驗系統選擇光源以及設計機器的安裝布局時，所有這些問題都需要考慮到。

光源

鹵素燈是一種類型的光源，適用于需要非常明亮光線的應用，許多新型汽車前燈都是鹵素燈，但這種光源也存在局限 性，事實上，它們無法提供頻閃功能，運行一段時間后會變得 非常熱，并且隨著時間的推移，它們會損失一些強度。如果您 將這種類型的光源用于一個檢驗應用，以最大功率的80%運行 有利于延長使用壽命，并保持電壓穩定，以避免顏色變化。如 果您的應用對其產生的鹵素熱量敏感的話，使用光纖光學元 件，可以將燈具安裝在距離元件較遠的位置。

白熾燈是另一種類型的光源。這類燈泡價格低廉，并且很容易買到，但它們無法提供頻閃功能，容易產生熱量，并且隨著時間的推移，它們會略微損失一些強度。

熒光燈光源價格相對便宜，市場上提供許多形狀和尺寸選擇。這類光源提供漫射光線，最大程度地減少了眩光，局限性包括無法提供頻閃功能，隨著時間的推移，質量會下降，并且難以調節光線強度。由于交流電源頻率的原因，熒光燈還會出現閃爍，這可能會影響視覺檢驗應用的圖像質量。使用高頻鎮流器可以幫助減少閃爍量，但不能完全消除。

光是一種高度準直的光源，具有高強度，從而可以將它們安裝在距離待檢驗物品一定距離的位置。目前有一種特殊類型的激光，稱為“二極管激光”，可以提供頻閃功能。激光通常用于進行距離測量，有時還進行三維測量，但無法進行高精度測量。激光傳統上非常昂貴，并且需要采取特殊的安全預防措施，因為它們可能帶來潛在的安全隱患。如果您的應用需要這種光源，光纖光學元件可以提供更安全的準直光源選擇。

許多較舊的頻閃系統采用氙氣燈。氙氣適合提供頻閃功能，因為它能夠在很短的時間內提供非常高的強度，從而產生 移動停止的印象。但隨著時間的推移，氙氣頻閃的強度會降低，目前市場上很少使用氙氣光源。

一個更好的替代方案是使用二極發光管（LED）。這類光源是當前機器視覺應用中最常見的光源。它們具有非常長的使用壽命，超過10000小時，并且提供頻閃功能，還可以連續開啟，不會產生熱量。同時，LED使用起來非常安全、高效，您可以在市場上找到幾乎任何顏色或特定波長的LED光源。雖然早期的 LED光源亮度有限，但現代的LED可以非常明亮（考慮一下有多少新型汽車正在使用LED外部照明）。

下面的圖表比較了不同的光源替代方案，以了解它們對于不同應用的適用性。

集成光源

機器視覺用戶可以選擇購買含有集成光源的系統。集成光源簡化了設置，并突出顯示特殊的元件或特征，無需購買、安裝和供電額外的光源。一些配有集成光源的視覺系統還提供使用軟件控制強度和光線頻閃的額外益處，無需額外的設備。由于無需外部光源和電源，配有集成光源的系統更容易在生產線上難以到達的空間內安裝和使用。同時，集成光源還更加經濟實惠。

總結

市場上有許多光源選項，也有許多不同的視覺系統構建和定向方式。選擇適當的光源可以使機器的生產率產生顯著的變化。規劃一套新的自動化檢驗系統時，首先要做的是了解待檢驗的元件——通過檢驗元件，需要了解元件的哪些方 面，比如表面處理、顏色等。同樣重要的是了解生產環境。然后，審查不同光源的優點和缺點。選擇適當的光源后，下 一個決定是如何定位光源，以確保最大的有效性。通過適當 的光源組合以及光源相對于元件的安裝方式，相機可以根據 需要忽略或強調元件特征，以確保生成清晰、一致的圖像， 從而滿足應用的檢驗需求。機器視覺專家可以幫助您確定最 佳光源和光源定位選擇，以滿足您的特定應用需求。

編輯：黃飛

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