輪廓照明在機(jī)器視覺(jué)中的作用與實(shí)現(xiàn)

需要精確檢測(cè)和測(cè)量邊緣和小缺陷的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用通常需要具有挑戰(zhàn)性的照明裝置。為了最大限度地提高圖像的重要細(xì)節(jié)和背景之間的對(duì)比度，可以考慮使用一種稱(chēng)為遮擋照明的照明技術(shù)。當(dāng)與高質(zhì)量遠(yuǎn)心成像透鏡結(jié)合使用時(shí)，遮光照明設(shè)置將減少其他照明系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的散射效應(yīng)，允許更準(zhǔn)確的邊緣檢測(cè)，并提供更好的整體圖像對(duì)比度。有四種不同的照明器有助于創(chuàng)建輪廓照明：傳統(tǒng)背光、掩蔽背光、準(zhǔn)直背光和遠(yuǎn)心照明器。每個(gè)照明器具有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，根據(jù)應(yīng)用，這些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)可以被最佳地集成。

發(fā)散與數(shù)值孔徑

在概述不同類(lèi)型的遮光照明器之前，需要查看光源和成像透鏡的發(fā)散度和數(shù)值孔徑（NA）。光源的發(fā)散度是光線(xiàn)相對(duì)于其光軸傳播的角度。發(fā)散光源是指其照明輪廓隨著遠(yuǎn)離初始點(diǎn)而變大的光源，很像標(biāo)準(zhǔn)手電筒。如果光源在向前移動(dòng)時(shí)看起來(lái)沒(méi)有變大，則該光源被定義為準(zhǔn)直光源，最常見(jiàn)的是激光器。

當(dāng)光源的光線(xiàn)相互平行傳播時(shí)，就會(huì)發(fā)生準(zhǔn)直光。這是通過(guò)使用光學(xué)器件來(lái)操縱發(fā)散光束，或者通過(guò)將發(fā)散源放置在離物體足夠遠(yuǎn)的地方，使其在到達(dá)物體時(shí)看起來(lái)是準(zhǔn)直的來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)將發(fā)散源定位在正透鏡的焦點(diǎn)處，光線(xiàn)在經(jīng)歷折射后將準(zhǔn)直。光源和所用特定透鏡的尺寸將決定所得光束的準(zhǔn)直程度。方程1顯示了準(zhǔn)直光束中剩余發(fā)散度θ、光源直徑D和準(zhǔn)直透鏡焦距f之間的關(guān)系。該方程不考慮可能影響準(zhǔn)直光束質(zhì)量的其他方面，例如透鏡的形狀因子、圖形誤差或折射表面的粗糙度。方程1顯示了在合成發(fā)散和光收集之間經(jīng)常需要的折衷。圖1概述了一個(gè)簡(jiǎn)單的準(zhǔn)直裝置，并演示了準(zhǔn)直光束的端徑如何與所用準(zhǔn)直透鏡的端徑相等。

圖1：發(fā)散源準(zhǔn)直

光源的發(fā)散度越小，光源就越適合用于遮擋照明。圖2展示了準(zhǔn)直光和發(fā)散光源如何與被檢查對(duì)象進(jìn)行不同的相互作用。

圖2：發(fā)散源與準(zhǔn)直源

發(fā)散源的光線(xiàn)以許多不同的角度撞擊物體的邊緣，從而導(dǎo)致光散射（圖3）。散射光根據(jù)被檢查零件的幾何圖形和材質(zhì)特性（如平滑度和反射率）而變化。這會(huì)產(chǎn)生一種效果，即散射光線(xiàn)似乎起源于零件本身的物理邊界內(nèi)。準(zhǔn)直光源的光線(xiàn)直接照射到物體上，這大大減少了光散射，并在背景和輪廓之間形成了清晰的邊緣。

圖3：從物體邊緣散射的光線(xiàn)

在為成像系統(tǒng)選擇合適的透鏡和照明源對(duì)時(shí)，數(shù)值孔徑是最重要的考慮因素之一。透鏡的數(shù)值孔徑是一個(gè)無(wú)單位的數(shù)字，用來(lái)描述其收集離軸光的能力。方程2表明，源的NA由其散度θ定義。

成像透鏡的數(shù)值孔徑可以作為制造規(guī)范的一部分包括在內(nèi)，但也可以使用其F數(shù)的倒數(shù)來(lái)估計(jì)（如方程3所示）。由于兩者直接相關(guān)，NA也可用于定義成像透鏡的分辨率和景深。

為了最大限度地提高成像系統(tǒng)的效率，成像透鏡和光源的數(shù)值孔徑應(yīng)盡可能接近相等。如果光源的數(shù)值孔徑遠(yuǎn)大于透鏡所能處理的孔徑，則可能會(huì)遇到散射和雜散光的問(wèn)題。當(dāng)透鏡的NA比光源大得多時(shí)，圖像可能顯得暗淡并且缺乏足夠的對(duì)比度。在遮光照明裝置中，通常使用遠(yuǎn)心透鏡作為成像透鏡。由于它們的結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)心透鏡的放大率在靠近或遠(yuǎn)離物體時(shí)保持不變。這使得它們非常適合于遮蔽照明有益的應(yīng)用，例如測(cè)量物體上缺陷的形狀和大小。與標(biāo)準(zhǔn)固定焦距成像透鏡相比，遠(yuǎn)心透鏡通常具有更小的數(shù)值孔徑，從而使所選擇的照明更加關(guān)鍵。

傳統(tǒng)背光

傳統(tǒng)的背光是放置在被檢查物體后面的發(fā)散光源。它們通常是通過(guò)將許多小型光源（如LED或隨機(jī)定向的光纖）放置在漫射器后面來(lái)構(gòu)建的，以創(chuàng)建用于要求較低的遮擋成像設(shè)置的光源。當(dāng)不需要精確的邊緣檢測(cè)時(shí)，例如在顯微鏡應(yīng)用中或?qū)τ诜欠瓷湮矬w，通常使用這些光源。這些傳統(tǒng)背光燈的額外優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)較低，可用性廣，結(jié)構(gòu)較小，易于集成到空間受限的設(shè)備中。

由于這些類(lèi)型的背光將發(fā)散光源與漫射器集成在一起，因此產(chǎn)生的光通常會(huì)散射出物體的邊緣。如圖5所示，如果物體是金屬的且具有反射性，則這一點(diǎn)可能特別明顯。

圖5：使用傳統(tǒng)背光的物鏡輪廓

這種散射會(huì)表現(xiàn)為邊緣出現(xiàn)梯度和模糊，這可能會(huì)使用戶(hù)或軟件很難分辨出物體的邊緣在哪里。大量散射也可能照亮物體的不必要部分，并導(dǎo)致獲取誤導(dǎo)性數(shù)據(jù)。圖6所示的邊緣輪廓具有從亮到暗（從高到低）的相對(duì)強(qiáng)度，范圍約為30個(gè)像素，物鏡側(cè)面的文字會(huì)在數(shù)據(jù)中產(chǎn)生波紋。

圖6：使用傳統(tǒng)背光獲得的邊緣輪廓

掩蔽背光

如果從傳統(tǒng)的發(fā)散背光獲得的輪廓邊緣的散射光對(duì)于應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不可接受的，那么增加背光和物體之間的距離將使背光的光線(xiàn)看起來(lái)不那么發(fā)散。然而，這并不總是最好的解決方案，因?yàn)槿绻彻馓h(yuǎn)，可能會(huì)損失太多的光。如果背光太靠近物體，則背光固有發(fā)散的散射效應(yīng)仍然存在問(wèn)題。

7：傳統(tǒng)背光與掩蔽背光

為了遮蔽背光，應(yīng)使用諸如絨毛紙之類(lèi)的不透明材料來(lái)阻擋背光中不需要的部分。這種方法是有利的，因?yàn)樗菍?duì)光的快速且低成本的修改。缺點(diǎn)是遮罩無(wú)法完全消除邊緣散射，并且可能需要為不同大小的對(duì)象不斷重新遮罩燈光。當(dāng)物體在透鏡視場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)被檢查的物體也不能有效地被掩蓋。圖8比較了已屏蔽的背光和未屏蔽的背光。

圖8：使用傳統(tǒng)背光（左）和遮蔽背光（右）的物體邊緣

準(zhǔn)直背光

類(lèi)似于傳統(tǒng)背光的結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)直背光包含不同的發(fā)散光源和漫射器，但具有額外的準(zhǔn)直膜以減少背光的發(fā)散。這種薄膜只允許一定角度范圍內(nèi)的光線(xiàn)出射，從而形成一個(gè)發(fā)散度較低、輪廓較低的光源。這種集成膜提供了低邊緣散射的優(yōu)點(diǎn)，而無(wú)需為不同尺寸的物體遮擋現(xiàn)有背光。

圖9：高級(jí)照明邊緣照明準(zhǔn)直LED背光

雖然這些背光并沒(méi)有真正準(zhǔn)直，但在遮光照明設(shè)置中，這種改進(jìn)是顯而易見(jiàn)的。圖10是具有更鋒利輪廓邊緣的減少邊緣散射的示例。

圖10：高級(jí)照明邊緣照明準(zhǔn)直LED背光

當(dāng)查看邊的強(qiáng)度輪廓時(shí)，會(huì)確認(rèn)干凈邊的外觀。圖11顯示了從亮到暗的過(guò)渡過(guò)程中更陡的斜率，發(fā)生在大約20個(gè)像素上，并且沒(méi)有像圖6中那樣受到噪聲的影響。

圖11：使用準(zhǔn)直背光獲得的邊緣輪廓

在邊緣散射令人擔(dān)憂(yōu)的情況下使用準(zhǔn)直背光，但空間和預(yù)算限制不允許使用遠(yuǎn)心照明器。

遠(yuǎn)心照明器

當(dāng)高精度應(yīng)用需要最精確的測(cè)量時(shí)，應(yīng)將遠(yuǎn)心照明器視為光源。遠(yuǎn)心照明器的工作原理與遠(yuǎn)心成像透鏡類(lèi)似，但它不是由前光學(xué)元件將孔徑光闌投影到無(wú)窮遠(yuǎn)，而是投影光源。當(dāng)這兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合使用時(shí)，與前面提到的背光選項(xiàng)相比，它們提供了優(yōu)越的性能和對(duì)比度。

遠(yuǎn)心照明器的主要優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)其光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的高度準(zhǔn)直。發(fā)散LED光源集成到組件中，產(chǎn)生準(zhǔn)直光線(xiàn)，通常在不到一度的真實(shí)準(zhǔn)直范圍內(nèi)。這些類(lèi)型的遠(yuǎn)心照明器是通過(guò)精確定位一個(gè)大的正透鏡和一個(gè)小而強(qiáng)大的LED來(lái)構(gòu)建的，從而創(chuàng)建一個(gè)照明輪廓，該輪廓可以創(chuàng)建清晰的輪廓，并比其他背光方法更好地匹配遠(yuǎn)心成像透鏡的NA。圖13顯示了由遠(yuǎn)心照明器背光的圖10中的同一物體。該物體沒(méi)有表現(xiàn)出從傳統(tǒng)背光中看到的邊緣散射效應(yīng)，并且與準(zhǔn)直背光相比具有更尖銳的邊緣過(guò)渡。圖14證實(shí)了這種急劇的轉(zhuǎn)變，從亮到暗的斜率發(fā)生在不到10個(gè)像素的范圍內(nèi)。

圖13：使用遠(yuǎn)心背光的物鏡輪廓

圖14：使用遠(yuǎn)心照明器獲得的邊緣輪廓

實(shí)現(xiàn)這些高對(duì)比度輪廓確實(shí)有其缺點(diǎn)。遠(yuǎn)心照明器通常在成本上更高并且比先前討論的背光選項(xiàng)大得多。由于遠(yuǎn)心透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)，前元件的尺寸將決定被照射光斑的尺寸。如果需要大視場(chǎng)，則需要大的遠(yuǎn)心照明器，從而增加系統(tǒng)的尺寸和重量。此外，源的低NA有助于創(chuàng)建沒(méi)有散射效應(yīng)的圖像，但會(huì)使對(duì)齊更加困難。如果遠(yuǎn)心照明器和透鏡之間的對(duì)準(zhǔn)甚至偏離一定程度，則照明器產(chǎn)生的光斑將顯得非常暗淡，并且邊緣對(duì)比度將降低。圖15顯示了當(dāng)透鏡和照明器不對(duì)齊時(shí)，輪廓受到影響的速度有多快。

圖15：對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)生的照明點(diǎn)（左）和偏離對(duì)準(zhǔn)20弧分（右）

制造商對(duì)遠(yuǎn)心照明器的規(guī)范有時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致混淆。當(dāng)與遠(yuǎn)心成像透鏡一起使用時(shí)，工作距離值是一個(gè)有意義的規(guī)范，因?yàn)樗枋隽送哥R可以正確聚焦的物理距離（或距離范圍）。遠(yuǎn)心照明器不會(huì)聚焦光線(xiàn)或創(chuàng)建圖像，因此這個(gè)數(shù)字通常沒(méi)有用處。由于在制作良好的遠(yuǎn)心照明器中有效的光收集和準(zhǔn)直，光與物體之間的物理距離可以遠(yuǎn)大于所述的工作距離。當(dāng)考慮遠(yuǎn)心照明器時(shí)，最適用的規(guī)范是準(zhǔn)直光束的最大直徑、透鏡的物理尺寸和數(shù)值孔徑。這些規(guī)范為選擇合適的照明和透鏡組合提供了基礎(chǔ)。

結(jié)論

圖16顯示了同一物體的邊緣輪廓，作為亮背景和暗邊緣之間轉(zhuǎn)換的像素?cái)?shù)的比較。遠(yuǎn)心照明器具有最快和最一致的截止，而準(zhǔn)直背光具有在大約兩倍像素量上發(fā)生的一致斜率。來(lái)自傳統(tǒng)背光的斜率起初具有與準(zhǔn)直背光相似的輪廓，但是由背光的高發(fā)散引起的附加散射表明該輪廓難以快速達(dá)到較暗的強(qiáng)度。傳統(tǒng)背光輪廓中的不一致性來(lái)自于物體邊緣上的文字，該文字由于較高的邊緣散射而僅可見(jiàn)，這突出了使用傳統(tǒng)背光時(shí)的另一個(gè)可能問(wèn)題

圖16：使用傳統(tǒng)背光（藍(lán)色）、準(zhǔn)直背光（綠色）和遠(yuǎn)心照明（紅色）獲得的組合邊緣輪廓

審核編輯：黃飛

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