LED照明自动化制造系统的机器视觉应用

在机器视觉系统中，典型的低功率要求和长寿命的LED照明使固态照明（SSL）成为照明自动化制造系统的首选。

图1：机器视觉越来越多地利用LED光源的照明，经常取代自动化生产线中的人工检测（图片提供）。

我们提供各种基于LED技术的LED环形灯，顶灯，背光和聚光灯。由于该技术的可靠性与逐步淘汰传统白炽灯或荧光灯光源的结合，LED系统的市场和部署不断扩大。照明供应商正在以这些发展为基础，提供不同配置的LED产品，以满足专业机器视觉应用的需求。

历史上，最常用的是荧光和石英卤素光源。近年来，LED技术在稳定性，强度和成本效益方面有所改进。虽然对于大面积照明部署来说仍然不具有成本效益，特别是与荧光光源相比，如果应用灵活性，输出稳定性和寿命是重要参数，LED照明可能更合适 。

技术优势

LED是高可靠性，持久耐用的光源，维护要求低。此外，作为直流电压供电的组件，它们不会出现100 Hz闪烁 - 使用CCD相机时不需要的节拍或重叠。 LED可以连续调暗至零光线。它们的瞬时启动特性有助于频闪操作以及外部触发脉冲操作。

LED对运动和振动的相对不敏感以及它们的低重量使得可以在移动机器视觉应用中使用LED（例如在机器人系统中）。由于尺寸小，LED可用于生产特殊的照明组件，为机器视觉中的样品提供最佳对比度。

由于采用紧凑的模块化设计，因此可以轻松开发LED组件，例如环形灯，可以分段控制。以这种方式，与全圆照明相比，实现了（图像的）显着的对比度增强。当通过公共控制单元转向多个照明组件时，很容易产生混合光并在不同类型的照明之间快速切换。现代“智能”控制单元可以通过PC完全控制对象的LED照明，这有助于精确指定照明设置 。

机器视觉需求

LED照明在许多工业机器视觉检测系统中用于帮助确定/确认制造中零件的形状 - 通过定义边缘几何形状，或使钻孔的尺寸和位置成像和验证。制造商通常希望更改他们在给定生产线上检查的产品，因此LED照明类型，功率，波长以及相关光学和相机需要足够灵活或可互换以进行调整。

选择任何类型照明时的一个关键考虑因素是光源的配置及其光谱特性。除了考虑不同集群设计的使用 - 无论是背光，环形灯和其他照明设备的设计 - 还必须仔细选择合适的LED的类型。输出波长，功率和几何等变量必须适合应用。选择取决于被检部件的颜色和/或反射率。

图3：Cree的XLamp CXA2011 LED阵列适用于机器视觉（由Cree提供）。

Advanced Illumination（Rochester，VT，US）是LED照明产品的机器视觉制造商。 John Merva，销售副总裁兼市场营销部门表示，“我们生产不同尺寸和形状，波长和功率的照明装置，适用于几乎任何自动化生产操作的应用。

传统照明光源，例如白炽灯或荧光灯，存在寿命相对较短和输出不一致的问题 - 特别是在寿命结束时 - 波长和亮度趋于变化，这就是为什么LED在今天更加可靠和首选的原因。我们倾向于支持的LED制造商是主要的三个：Nichia ，Cree 和Phillips-Lumileds，其中包括。“

图4：光源相对强度与光谱含量的关系。底部的条形表示近似人类可见波长范围（来源：Advanced Illumination ）。

看来，不断增长的LED光源选择将使寻找理想的光源变得更容易，但实际上越来越多样化意味着系统开发人员需要做更多的R＆amp; D.考虑到新型SSL源，例如OLED，Merva表示，他认为这些替代来源，但补充说，“这个行业发生的变化往往发生得相当缓慢。”评论LED机器使用趋势视觉系统，Merva说，“我们通常使用的LED类型分为不同颜色的可见光和更高功率的白光LED光源。在早期，机器视觉使用红色LED，因为它们具有相对较高的功率，低成本和广泛的可用性，但最近红色已被白色取代，与全彩色相机相结合。“

机器视觉及其对固体的依赖 - 状态照明将继续增长。我们看到相机部署点的数量在整个行业和其他地方不断增长，特别是考虑到现在可以以低于2，000美元的价格购买“智能”相机。从历史上看，视觉问题必须具有重要意义，才能证明部署摄像机的成本是合理的，但现在它可能相对较小，节省的成本仍然可以证明基于LED的视觉系统的成本。此外，还有许多更复杂的制造技术在进行，因此有增长的空间，Merva认为，“可能比今天的渗透率高十倍，因为这些技术以合适的价格解决了客户的问题。” 》背面和边缘照明

为了实现理想的照明，许多系统制造商在背光源上使用一系列表面安装的LED，并使用漫射器定位以产生均匀的照明。这导致具有相对厚的显示器的高亮度背光。为了减小这种厚度 - 在制造环境中空间总是非常重要 - 一些制造商还提供侧光式背光，其中LED围绕显示器的外部放置，并且光通过漫射板传输到显示器的面上。

Moritex USA总部位于加利福尼亚州圣何塞，提供两种类型的背光。其MDBL系列提供比边缘型MDBC系列更高的亮度，而MDBC系列的更薄设计在空间受限的应用中更有用。 Phlox，法国普罗旺斯地区艾克斯和美国俄亥俄州Strongsville的Lumitex在其机器视觉灯系列中提供不同的技术变体。 Phlox使用PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）管，在其背光范围内由线性LED光源点亮; Lumitex使用安装在后反射器上的光纤来制造薄至0.33 mm的照明面板。

Phlox导演（和专利持有人）Christophe Blanc说：“在Phlox，我们只制作机器视觉照明系统的一小部分;我们制造的背光源我们将LED与光管技术结合使用。我们使用PMMA，我们在丙烯酸板的顶部制造凹槽。凹槽提取光线，因此我们有效地从板的侧面注入光。“

对于其可见光谱应用，Phlox仅部署Nichia LED。 Nichia是白色LED的原始制造商（由Shuji Nakamura发明，他现在为Cree工作）。除红外应用外，该公司仅使用Nichia白/蓝色氮化镓LED。对于其红外机器视觉应用，Phlox以前使用的是Osram-OS LED，但最近该公司一直在使用***供应商Lite-On《的红外LED。/SUP》。

除了开发平顶灯等新型配置外，LED照明制造商通常会针对不同的应用提供一系列不同的波长。除了使用白色，红色，绿色和蓝色LED的更传统的产品外，UV和IR灯在执行更复杂的视觉检测应用中变得越来越流行。这些系统包括要检查的材料可能会出现荧光或者操作人员必须屏蔽明亮的LED照明的系统。在其他情况下，将具有多个波长的LED组合的照明产品用于减少检查复杂部件的多个面所需的检查站的数量。

市场情况

Banner Engineering（美国明尼苏达州明尼阿波利斯市）为自动化生产提供的基于LED的照明系统，包括环形灯，背光灯，聚光灯和线性阵列灯。这些是针对视觉的灯光设计。

图5：Banner Engineering的高强度区域灯具有密封的IP69K版本，因此适用于食品和饮料制造中的机器视觉应用。

工程经理Chuck Dolezelack说：“因为我们提供密封的IP69K版本的许多灯具，我们的系统在洗涤环境中存在，例如食品和饮料行业中的那些，以及制药和医疗和材料处理行业。具体应用范围包括照亮小部件以进行分类或匹配功能，或投射阴影以防止错误。“

Dolezelack认为，仍有待解决的主要问题是能源效率以及这些LED照明可能的演变路径随着技术的进步，它们将变得更加坚固并且消耗更少的功率。

“今天的市场条件与制造业一样，LED照明系统将随之而来，”Dolezelack说。 “目前，照明和指示是［Banner］增长最快的产品部门，因为它的实用性和简单性，以及目前制造业的强大。”

应用

Polytec的机器视觉部门，Waldbronn ，德国，为机器视觉提供广泛的LED照明解决方案。该产品系列由瑞典Vällingby的姐妹公司Latab扩展，共提供超过3000种产品。 Polytec还提供许多不同的控制器，细分为连续模式和频闪模式。

Polytec机器视觉负责人Hendrik Schumann说：“在德国，汽车行业肯定是机器视觉应用最重要的用户。所有汽车制造商必须确保每个部件的100％质量控制。但越来越多的食品或电子行业以及各地的一般工业中，基于LED的机器视觉系统被用于确保产品质量。“

”LED的功率和光学本身并不是成功照明的关键组成部分。关键是LED，系统机械和电流供应质量之间的完美合作; LED由电流而不是电压驱动。“

图6：Osram-OS的Ostar Observation红外LED，型号SFH4750（来源：Osram-OS）。 》对于白色照明，Polytec从Bright View 和Osram-OSLED部署LED以获得红色照明。 Latab的机器视觉照明解决方案通常在以下波长下工作：红色617 nm，IR 880 nm，蓝色465 nm，绿色520 nm和UV 395 nm和365 nm。连续模式下的典型工作电流范围为30 mA至3000 mA，选通模式下的工作电流范围为7倍。

考虑到当前这个技术领域的市场和可能的演进路径，Schumann评论道，“我预计未来LED的亮度将大幅增加，因此新市场将会出现。也许也可以使用比目前更少的LED，并且照明区域将更集中但更亮。从商业角度来看，机器视觉相关的LED销售与机械工程行业的状态直接相关，因此也与世界经济有关。“

结论

任何自动化制造过程都会经常在外观上发生变化。视觉系统，无论是制造商改变产品类型或价格的意图，还是由于产品质量的变化。

因此，如果您想保证100％的过程并保持产品质量，那么可靠的观察方法至关重要。要求人类检查员这样做太多了 - 特别是当运输率很高时，产品很小或可变性超出可见范围。简而言之，人类没有耐心和一致性来提供这种可靠性。

最终，先进的非接触式自动视觉系统 - 越来越多地基于LED照明 - 不再是生产线的可选附件;它们正在成为工厂必备结构的内在组成部分。