工业机器视觉系统中光源设计应用

光源

机器视觉系统主要由三部分组成：图像的获取、图像的处理和分析、输出或显示。而图像的获取是机器视觉的核心，图像的获取系统则是由光源、镜头、相机三部分组成。   光源的选取与打光合理与否可直接影响至少30%的成像质量。所以光源是机器视觉系统中非常重要的一部分。  

作用

通过适当的光源照明设计，使图像中的目标信息与背景信息得到最佳分离，可以大大降低图像处理算法分割、识别的难度，同时提高系统的定位、测量精度，使系统的可靠性和综合性能得到提高。   反之，如果光源设计不当，会导致在图像处理算法设计和成像系统设计中事倍功半。因此，光源及光学系统设计的成败是决定系统成败的首要因素。

照亮目标，提高目标亮度；

突出测量特征，简化图像处理算法；

克服环境光的干扰，保证图像的稳定性，提高图像信噪比；

提高视觉系统的定位、测量、识别精度，以及系统的运行速度；

降低系统设计的复杂度，形成最有利于图像处理的成像效果；

分类

1、环形光源   环形光源提供不同照射角度、不同颜色组合，更能突出物体的三维信息；高密度LED阵列，高亮度；多种紧凑设计，节省安装空间；解决对角照射阴影问题；可选配漫射板导光，光线均匀扩散。  

应用领域：PCB基板检测，IC元件检测，显微镜照明，液晶校正，塑胶容器检测，集成电路印字检查   2、背光源   用高密度LED阵列面提供高强度背光照明，能突出物体的外形轮廓特征，尤其适合作为显微镜的载物台。红白两用背光源、红蓝多用背光源，能调配出不同颜色，满足不同被测物多色要求。   应用领域：机械零件尺寸的测量，电子元件、IC的外型检测，胶片污点检测，透明物体划痕检测等。   3、条形光源   条形光源是较大方形结构被测物的首选光源；颜色可根据需求搭配，自由组合；照射角度与安装随意可调。  

应用领域：金属表面检查，图像扫描，表面裂缝检测，LCD面板检测等。   4、同轴光源   同轴光源可以消除物体表面不平整引起的阴影，从而减少干扰；部分采用分光镜设计，减少光损失，提高成像清晰度，均匀照射物体表面。  

应用领域：系列光源最适宜用于反射度极高的物体，如金属、玻璃、胶片、晶片等表面的划伤检测，芯片和硅晶片的破损检测，Mark点定位，包装条码识别。   5、AOI专用光源   不同角度的三色光照明，照射凸显焊锡三维信息；外加漫射板导光，减少反光；不同角度组合；   应用领域：用于电路板焊锡检测。   6、球积分光源   具有积分效果的半球面内壁，均匀反射从底部360度发射出的光线，使整个图像的照度十分均匀。   应用领域：合于曲面，表面凹凸，弧形表面检测，或金属、玻璃表面反光较强的物体表面检测。   7、线形光源   超高亮度，采用柱面透镜聚光，适用于各种流水线连续检测场合。  

应用领域：阵相机照明专用，AOI专用。   8、点光源   大功率LED，体积小，发光强度高；光纤卤素灯的替代品，尤其适合作为镜头的同轴光源等；高效散热装置，大大提高光源的使用寿命。  

应用领域：适合远心镜头使用，用于芯片检测，Mark点定位，晶片及液晶玻璃底基校正。   9、组合条形光源   四边配置条形光，每边照明独立可控；可根据被测物要求调整所需照明角度，适用性广。   应用案例：CB基板检测，IC元件检测，焊锡检查，Mark点定位，显微镜照明，包装条码照明，球形物体照明等。   10、对位光源   对位速度快；视场大；精度高；体积小，便于检测集成；亮度高，可选配辅助环形光源。   应用领域：VA系列光源是全自动电路板印刷机对位的专用光源。  

LED光源特点

目前机器视觉光源主要采用LED（发光二极管），由于其形状自由度高，使用寿命长、响应速度快、单色性好、颜色多样、综合性价比高等特点在行业内广泛应用。  

• 形状自由度   一个LED光源是由许多单个LED组合而成的，因而跟其他光源相比，可做成更多的形状，更容易针对用户的情况，设计光源的形状和尺寸。  

• 使用寿命长   为了使图像处理单元得到精确的，重复性好的测量结果，照明系统必须保证相当长的时间内能够提供稳定的图像输入。

LED光源在连续工作10,000到30,000小时后，亮度衰减，但远比其他型式的光源效果好。此外，用控制系统使其间断工作，可抑制发光管发热，寿命也将延长一倍。

• 响应速度快   LED发光管响应时间很短，响应时间的真正意义是能按要求保证多个光源之间或一个光源不同区域之间的工作切换，采用专用控制器给LED光源供电时，达到最大照度的时间小于10s

• 颜色多样   除了光源的形状以外，得到稳定图像输入的另一方面就是选择光源的颜色。甚至相同形状的光源，由于颜色的不同得到的图像也会有很大的差别。实际上，如何利用光源颜色的技术特性得到最佳对比度的图像效果一直是光源开发的主要方向。

• 综合性运营成本低   选用低廉而性能没有保证的产品，初次投资的节省很快会被日常的维护、维修费用抵消。其他光源不仅耗电是LED光源的2-10倍，而且几乎每月就要更换，浪费了维修工程师许多宝贵的时间。而且投入使用的光源越多，在器件更换和人工方面的花费就越大，因此选用寿命长的LED光源从长远看是很经济的。  

如何选择

•  环境要求分析

1. 从客户那里了解对系统结构及运行的要求，确定工业相机、光源、被测物的空间结构关系。   确定的参数有：视场(FOV),工作距离(WD)；   2. 空间结构有: 直射，侧射，背部照射；   直射结构的光源—部分环形光源，同轴光源，圆顶光源；   侧射结构的光源—部分环形光源，条形光源，线光源，点光源；   背部照射—方形背光源，条形背光源。  

•  物体表面纹理及颜色分析

1. 物体表面是曲面还是平面？物体表面是否光滑？反光是否很强？

曲面检测宜用圆顶光源，光滑平面宜用同轴光源，粗糙平面宜用明视场光源。   2. 物体的透光性怎样？

透光性好的物体可以用IR光源。   3. 分清背景(我们不需要检测的)是什么颜色，前景(我们要检测的)是什么颜色？

好的光源就是有一个好的对比度－－-背景与前景很清楚。   4. 前景颜色多变化

宜用彩色光源及白色光源；

•  选择总结

1. 需要前景与背景更大的对比度?–考虑用黑白相机与彩色光源

2. 环境光的问题?–尝试用单色光源，配一个滤镜
3. 闪光曲面?–尝试用散射圆顶光

4. 闪光，平的，但粗糙的表面?–尝试用同轴散射光

5. 看表面的形状?–考虑用暗视场(低角度)

6. 检测塑料的时候–尝试用紫外或红外光

7. 需要通过反射的表面看特征?–尝试用低角度线光源(暗视场)

8. 组合光源有时也能解决问题

9. 频闪能够产生比常亮照明20倍强的光  

如何打光

•  一般目的的照明

通用照明一般采用环状或点状照明。环灯是一种常用的通用照明方式，其很容易安装在镜头上，可给漫反射表面提供足够的照明。  

•  背光照明

背光照明是将光源放置在相对于摄像头的物体的背面。这种照明方式与别的照明方式有很大不同因为图像分析的不是发水光而是入射光。   背光照明产生了很强的对比度，应用背光技术时候，物体表面特征可能会丢失。例如，可以应用背光技术测量硬币的直径，但是却无法判断硬币的正反面。  

•  同轴照明

同轴照明是与摄像头的轴向有相同的方向的光照射到物体的表面。同轴照明使用一种特殊的半反射镜面反射光源到摄像头的透镜轴方向。半反射镜面只让从物体表面反射垂直于透镜的光源通过。同轴照明技术对于实现扁平物体且有镜面特征的表面的均匀照明很有用。   此外此技术还可以实现使表面角度变化部分高亮，因为不垂直于摄像头镜头的表面反射的光不会进入镜头，从而造成表面较暗。连续漫反射照明：连续漫反射照明应用于物体表面的反射性或者表面有复杂的角度。   连续漫反射照明应用半球形的均匀照明，以减小影子及镜面反射。这种照明方式对于完全组装的电路板照明非常有用。这种光源可以达到170立体角范围的均匀照明。  

•  暗域照明   暗域照明是相对于物体表面提供低角度照明。使用相机拍摄镜子使其在其视野内，如果在视野内能看见光源就认为使亮域照明，相反的在视野中看不到光源就是暗域照明。因此光源是亮域照明还是暗域照明与光源的位置有关。   典型的，暗域照明应用于对表面部分有突起的部分的照明或表面纹理变化的照明。  

•  结构光   结构光是一种投影在物体表面的有一定几何形状的光（如线形、圆形、正方形）。典型的结构光涉及激光或光纤。结构光可以用来测量相机到光源的距离。   多轴照明：在许多应用中，为了使视野下不同的特征表现不同的对比度，需要多重照明技术。

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编辑：黄飞