機(jī)器視覺的光源選型及打光方案分析

機(jī)器視覺的光源選型及打光方案分析
2.2.1 光源選擇標(biāo)準(zhǔn)
光源的選擇標(biāo)準(zhǔn)如下：
（1）光源均勻性要好，在有效的照射范圍內(nèi)，灰度值標(biāo)準(zhǔn)差要?。?br /> （2）具有較寬的光譜范圍，可以對不同材料的物體進(jìn)行檢測；
（3）光照強(qiáng)度要足夠，提高信噪比，利于圖像處理；
（4）具有較長的使用壽命及較高的穩(wěn)定性，要保障光源在長時(shí)間運(yùn)行狀態(tài)下能夠持續(xù)穩(wěn)定的提供照明環(huán)境；
（5）成本低，易根據(jù)現(xiàn)場情況定制特殊形狀光源。
2.2.2 光源的分類

光源從大類上可分為普通自然光和人造光源，由光照強(qiáng)度、色溫及光源的幾何形狀來描述。在不銹鋼表面缺陷檢測系統(tǒng)中，為使采集到的圖像達(dá)到高質(zhì)量的要求，需要依據(jù)待檢測目標(biāo)的顏色、材質(zhì)和形狀，考慮所需光源的強(qiáng)度、光路和光譜等特性。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)優(yōu)先選擇明場照明方式，從而可以抑制自然光源及外界環(huán)境的干擾。

常用光源及相關(guān)特性如表2.1所示。

表2.1 主要光源類型及其特性

其中，LED光源具有發(fā)熱少、功耗低、壽命長、光譜范圍寬、發(fā)光強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，且可組合多樣化的外形。因此，常使用LED作為照明光源。
2.2.3顏色相關(guān)檢測
在某些特定的檢測場合下，光源顏色的不同會(huì)對最后的成像結(jié)果產(chǎn)生不同的影響。光源的顏色特性主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：
色表：人眼直接觀察光源所看到的顏色，即光源發(fā)出光的顏色。
顯色性：光源發(fā)出的光照到物體上后，反（透）射光顯現(xiàn)物體顏色的能力。
根據(jù)光源的顏色特性，可以依據(jù)具體的檢測目標(biāo)來選擇最合適的光源，不同顏色的光是由其波長決定的，光譜特性圖如圖2.1所示。



圖2.1 光譜特性圖
下表2.2介紹了幾種常用顏色光源的特性及其適用領(lǐng)域：
表2.2 不同顏色光源的特點(diǎn)

光源在使用過程中除了具有波長特性，還與物體具有色相性。在光學(xué)中，將兩種色光以適當(dāng)?shù)谋壤旌隙墚a(chǎn)生白光時(shí)，則稱這兩種顏色為“互補(bǔ)色”。補(bǔ)色并列時(shí)，將會(huì)引起視覺上更強(qiáng)烈的對比感受，會(huì)感到紅的更紅、綠的更綠。如果希望提高缺陷顏色上的對比度來突出缺陷特征，則可以通過選擇色環(huán)上相對應(yīng)的互補(bǔ)顏色（圖2.2），這樣可以明顯地提高缺陷與背景的對比度。




圖2.2 互補(bǔ)色環(huán)圖

對易拉罐罐頂表面進(jìn)行劃痕檢測，如圖2.3（a）所示。由于罐頂表面印有大量紅色的文字，所以如果采用白色光源，文字的存在會(huì)對表面檢測產(chǎn)生干擾，大大增加了檢測的難度。如果對白底紅字的罐頂采用紅色光源照明，則可以過濾掉紅色的文字，如圖2.3（b）所示。

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（a）白底紅字罐頂 （b）紅色光源照射
圖2.3 顏色相關(guān)性檢測
因此，根據(jù)光源與物體顏色相關(guān)性原理，合理運(yùn)用互補(bǔ)色可以過濾掉干擾項(xiàng)的影響。當(dāng)圖像采集設(shè)備為黑白相機(jī)時(shí)，對于特定顏色的背景，可以采用與特定顏色相近或者相遠(yuǎn)的光源來提高或者降低背景的亮度。例如表面背景為紅色時(shí)，在明視場，若要凸顯出缺陷與背景的差異，可以選擇與紅色相近的紫紅色或橙色光源。暗視場拍攝圖像，就需要選擇與紅色相差較遠(yuǎn)的青色光源。如果被測目標(biāo)顏色背景比較復(fù)雜，且需要獲取目標(biāo)的顏色信息，則需要選擇白色光源。不管選擇何種顏色的光源，其根本目的都是提高待檢測物體表面缺陷與背景的對比度。

2.2.4光照方式

光源是影響機(jī)器視覺圖像質(zhì)量的重要因素，照明對輸入數(shù)據(jù)的影響至少占到30 %。好的打光方式可以準(zhǔn)確捕捉物體特征，提高物體與背景的對比度。常見的打光方式有以下幾種：
前面打光法
后面打光法
結(jié)構(gòu)光打光法
混合多方式照明
特殊式
（1）高角度照射






圖2.4 高角度照射方式效果圖
特點(diǎn)：在一定工作距離下，光束集中、亮度高、均勻性好、照射面積相對較小。常用于液晶校正、塑膠容器檢查、工件螺孔定位、標(biāo)簽檢查、管腳檢查、集成電路印字檢查等(30、45、60、75等角度環(huán)光)。

（2）低角度照射



圖2.5 低角度照射方式效果圖

特點(diǎn)：對表面凹凸表現(xiàn)力強(qiáng)。適用于晶片或玻璃基片上的傷痕檢查（90度環(huán)光，90度條光）
（3）垂直照射




圖2.6 垂直照射方式效果圖
特點(diǎn)：照射面積大、光照均勻性好、適用于較大面積照明。可用于基底和線路板定位、晶片部件檢查等（0角度環(huán)光、面光源）。
（4）背光照射

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圖2.7 背光照射方式效果圖
特點(diǎn)：光源安置在與相機(jī)同軸且位于被測物體的后面。背光方式用來突出顯示不透明物體的外形輪廓，所以這種照明方式只適用于待測目標(biāo)需要的信息可以從其輪廓中獲得的場合。例如尺寸測量、形狀判斷等。（背光源、平行背光源）
（5）多角度照射






圖2.8 多角度照射方式效果圖
特點(diǎn)：RGB三種不同顏色不同角度光照，可以實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)的三維信息的提取。適用于組裝機(jī)板的焊錫部份、球形或半圓形物體、其它奇怪形狀物體、接腳頭（AOI光源）
（6）半球積分照明

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圖2.9 球積分光源射方式效果圖
特點(diǎn)：360度底部發(fā)光，通過碗狀內(nèi)壁發(fā)射，形成球形均勻光照。用于檢測曲面的金屬表面文字和缺陷。（球積分光源，通常也叫圓頂光）
（7）同軸光照明

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圖2.10 同軸光源射方式效果圖
特點(diǎn)：類似于平行光的應(yīng)用，光源前面帶漫反射板，形成二次光源，光線主要趨于平行。用于半導(dǎo)體、PCB板、以及金屬零件的表面成像檢測，微小元件的外形、尺寸測量。（同軸光源，平行同軸光源）
（8）其他光源及其照射方式


護(hù)照檢測：同軸光，條形光，環(huán)形光，組合使用，以適應(yīng)各種缺陷


對位裝置：環(huán)形光，同軸光，既能實(shí)現(xiàn)Mark點(diǎn)定位，又能實(shí)現(xiàn)檢測功能


多色組合光源：應(yīng)輕松應(yīng)對不同顏色的工件
2.2.5輔助手段

機(jī)器視覺系統(tǒng)是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的系統(tǒng)工程，不同的工廠，不同的生產(chǎn)線，不同的工作環(huán)境對光源亮度，工作距離，照射角度等的要求差別很大。有時(shí)受限于具體的應(yīng)用環(huán)境，不能直接通過光源類型或照射角度的調(diào)整而獲取良好的視覺圖像，我們就常常需要借助于一些特殊的輔助光學(xué)器件。
常見的輔助光學(xué)器件有：
反射鏡：反射鏡可以簡單方便的改變優(yōu)化光源的光路和角度，從而為光源的安裝提供了更大的選擇空間。
分光鏡：分光鏡通過特殊的鍍膜技術(shù)，不同的鍍膜參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)反射光和折射光比例的任意調(diào)節(jié)。機(jī)器視覺光源中的同軸光就是分光鏡的具體應(yīng)用。
棱鏡：不同頻率的光在介質(zhì)中的折射率是不同的，根據(jù)光學(xué)的這一基本原理可以把不同顏色的復(fù)合光分開，從而得到頻率較為單一的光源。
偏振片：光線在非金屬表面的反射是偏振光，借助于偏振片可以有效的消除物體的表面反光。同時(shí)，偏振片在透明或半透明物體的應(yīng)力檢測上也有很好的應(yīng)用。
漫射片：漫射片是機(jī)器視覺光源中比較常見的一種光學(xué)器件，它可以使光照變得更均勻，減少不需要的反光。

光纖：光纖可以將光束聚集于光纖管中，使之想水流一樣便于光線的傳輸，為光源的安裝提供了很大的靈活性。
2.2.6光源選型要領(lǐng)
條光選型：
1、條光照射寬度最好大于檢測的距離，否則可能會(huì)照射距離遠(yuǎn)造成亮度差，或者是距離近而幅射面積不夠；
2、條光長度能夠照明所需打亮的位置即可，無須太長造成安裝不便，同時(shí)也增加成本,一般情況下，光源的安裝高度會(huì)影響到所選用條光的長度，高度越高，光源長度要求越長，否則圖像兩側(cè)亮度比中間暗；
3、如果照明目標(biāo)是高反光物體，最好加上漫射板，如果是黑色等暗色不反光產(chǎn)品，也可以拆掉漫射板以提高亮度；
環(huán)光選型：
1、了解光源安裝距離，過濾掉某些角度光源；例如要求光源安裝尺寸高，就可以過濾掉大角度光源，選擇用小角度光源，同樣，安裝高度越高，要求光源的直徑越大；
2、目標(biāo)面積小，且主要特性在表面中間，可選擇小尺寸0角度或小角度光源；
3、目標(biāo)需要表現(xiàn)的特征如果在邊緣，可選擇90度角環(huán)光，或大尺寸高角度環(huán)形光；
4、檢測表面劃傷，可選擇90度角環(huán)光，盡量選擇波長短的光源；
條形組合光選型：
1、條形組合光在選擇時(shí)，不一定要按照資料上的型號(hào)來選型，因?yàn)楸粶y的目標(biāo)形狀、大小各不一樣，所以可以按照目標(biāo)尺寸來選擇不同的條形光源進(jìn)行組合；
2、組合光在選擇時(shí)，一定要考慮光源的安裝高度，再根據(jù)四邊被測特征點(diǎn)的長度寬度選擇相對應(yīng)的條形光進(jìn)行組合；
背光源/平行背光源選型：
1、選擇背光源時(shí)，根據(jù)物體的大小選擇合適大小的背光源，以免增加成本造成浪費(fèi)；
2、背光源四周一條由于的外殼遮擋，因此其亮度會(huì)低于中間部位，因此，選擇背光源時(shí)，盡量不要使目標(biāo)正好位于背光源邊緣；
3、背光源一般在檢測輪廓時(shí)，可以盡量使用波長短的光源，波長短的光源其衍射性弱，圖像邊緣不容易產(chǎn)生重影，對比度更高；
4、背光源與目標(biāo)之間的距離可以通過調(diào)整來達(dá)到最佳的效果，并非離得越近效果越好，也非越遠(yuǎn)越好；
5、檢測液位可以將背光源側(cè)立使用；
6、圓軸類的產(chǎn)品，螺旋狀的產(chǎn)品盡量使用平行背光源；
同軸光選型：
1、選擇同軸光時(shí)主要看其發(fā)光面積，根據(jù)目標(biāo)的大小來選擇合適發(fā)光面積的同軸光；
2、同軸光的發(fā)光面積最好比目標(biāo)尺寸大1.5~2倍左右,因?yàn)橥S光的光路設(shè)計(jì)是讓光路通過一片45度半反半透鏡改變,光源靠近燈板的地方會(huì)比遠(yuǎn)離燈板的亮度高,因此,盡量選擇大一點(diǎn)的發(fā)光面避免光線左右不均勻;
3、同軸光在安裝時(shí)盡量不要離目標(biāo)太高，越高，要求選用的同軸光越大，才能保證才均勻性；
平行同軸光選型：
1、平行同軸光光路設(shè)計(jì)獨(dú)特，主要適用于檢測各種劃痕；
2、平行同軸光與同軸光表現(xiàn)的特點(diǎn)不一樣，不能替代同軸光使用；
3、平行同軸光檢測劃傷之類的產(chǎn)品，盡量不要選擇波長長的光源；
其他光源選型要領(lǐng)：
1、了解特征點(diǎn)面積大小，選擇合適尺寸的光源；
2、了解產(chǎn)品特性，選擇不同類型的光源；
3、了解產(chǎn)品的材質(zhì)，選擇不同顏色的光源；
4、了解安裝空間及其他可能會(huì)產(chǎn)生障礙的情況，選擇合適的光源；
案例分析
酒瓶蓋條碼檢測
檢測的內(nèi)容主要有條碼識(shí)別、條碼打標(biāo)位置是否偏離；使用光源：204mm、60度藍(lán)光。

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單個(gè)瓶蓋


要求裝在包裝箱里檢測
選型分析：
1、了解產(chǎn)品特性：
瓶蓋上面是黑色，另有紅黑交錯(cuò)背景圖案，條碼為激光刻印顯灰色，為了顯現(xiàn)出條碼，應(yīng)該將字符打亮，背景與字符分辨明顯；我們?nèi)绻x用紅色光源的話，背景中的紅色會(huì)濾掉打白，會(huì)干擾同為白色的字符，所以，我們應(yīng)該利用光源的互補(bǔ)原理，采用藍(lán)色光源，將紅色背景盡量打黑；

白色光源效果

藍(lán)色光源效果
2、了解產(chǎn)品形狀選擇合適光源
瓶蓋為圓形，直徑為25MM，一般此情況可以選擇同軸光或者環(huán)形光比較合適；
3、了解產(chǎn)品材質(zhì)特性選擇合適光源
瓶蓋為金屬材料，表面有印刷圖案，比較光滑，反光度很強(qiáng)，選用同軸光或帶角度的環(huán)形光比較合適；
4、模擬現(xiàn)場打光選擇能用的光源
由于酒瓶必須裝在包裝紙箱里，瓶蓋離紙箱上頂部的距離有80MM，考慮需要留一定的空間，因此，瓶蓋離光源需要的距離為100MM或以上，如此高的距離，小同軸光跟小環(huán)光以及低角度光就不能滿足要求，必須選用大同軸光跟大環(huán)光。
5、打光試驗(yàn)
根據(jù)以上情況選擇大致的光源后，再進(jìn)行性價(jià)比對比，選擇性價(jià)比高的光源進(jìn)行實(shí)際打光測試（同軸光如果提到110MM距離的話，需要用到120左右的光，單位價(jià)值比較高，所以選擇環(huán)形光比較經(jīng)濟(jì)）

采用180mm、30度藍(lán)色環(huán)光在110MM高度打光周邊亮帶反光強(qiáng)，不利于找中心位。

采用204mm、60度藍(lán)色環(huán)光在110MM高度不會(huì)將光源LED亮斑影投射到瓶蓋上。
6、最終確定光源
根據(jù)打光效果圖進(jìn)行軟件處理，在得到可靠性及準(zhǔn)確性的條件下選擇正確的光源。

以上述案例可以看出:
1、產(chǎn)品的顏色影響光源的顏色；
2、產(chǎn)品的特性可以確定光源的照射方式，從而確定光源的類型；
3、產(chǎn)品的安裝空間及相機(jī)、鏡頭、傳感器的位置等障礙可以摒棄一些不方便安裝的光源；
4、光源的安裝高度影響光源的類型及大??；