轮廓照明在机器视觉中的作用与实现

需要精确检测和测量边缘和小缺陷的机器视觉应用通常需要具有挑战性的照明装置。为了最大限度地提高图像的重要细节和背景之间的对比度，可以考虑使用一种称为遮挡照明的照明技术。当与高质量远心成像透镜结合使用时，遮光照明设置将减少其他照明系统中可能出现的散射效应，允许更准确的边缘检测，并提供更好的整体图像对比度。有四种不同的照明器有助于创建轮廓照明：传统背光、掩蔽背光、准直背光和远心照明器。每个照明器具有不同的优点和缺点，根据应用，这些优点和缺点可以被最佳地集成。

发散与数值孔径

在概述不同类型的遮光照明器之前，需要查看光源和成像透镜的发散度和数值孔径（NA）。光源的发散度是光线相对于其光轴传播的角度。发散光源是指其照明轮廓随着远离初始点而变大的光源，很像标准手电筒。如果光源在向前移动时看起来没有变大，则该光源被定义为准直光源，最常见的是激光器。

当光源的光线相互平行传播时，就会发生准直光。这是通过使用光学器件来操纵发散光束，或者通过将发散源放置在离物体足够远的地方，使其在到达物体时看起来是准直的来实现的。通过将发散源定位在正透镜的焦点处，光线在经历折射后将准直。光源和所用特定透镜的尺寸将决定所得光束的准直程度。方程1显示了准直光束中剩余发散度θ、光源直径D和准直透镜焦距f之间的关系。该方程不考虑可能影响准直光束质量的其他方面，例如透镜的形状因子、图形误差或折射表面的粗糙度。方程1显示了在合成发散和光收集之间经常需要的折衷。图1概述了一个简单的准直装置，并演示了准直光束的端径如何与所用准直透镜的端径相等。

图1：发散源准直

光源的发散度越小，光源就越适合用于遮挡照明。图2展示了准直光和发散光源如何与被检查对象进行不同的相互作用。

图2：发散源与准直源

发散源的光线以许多不同的角度撞击物体的边缘，从而导致光散射（图3）。散射光根据被检查零件的几何图形和材质特性（如平滑度和反射率）而变化。这会产生一种效果，即散射光线似乎起源于零件本身的物理边界内。准直光源的光线直接照射到物体上，这大大减少了光散射，并在背景和轮廓之间形成了清晰的边缘。

图3：从物体边缘散射的光线

在为成像系统选择合适的透镜和照明源对时，数值孔径是最重要的考虑因素之一。透镜的数值孔径是一个无单位的数字，用来描述其收集离轴光的能力。方程2表明，源的NA由其散度θ定义。

成像透镜的数值孔径可以作为制造规范的一部分包括在内，但也可以使用其F数的倒数来估计（如方程3所示）。由于两者直接相关，NA也可用于定义成像透镜的分辨率和景深。

为了最大限度地提高成像系统的效率，成像透镜和光源的数值孔径应尽可能接近相等。如果光源的数值孔径远大于透镜所能处理的孔径，则可能会遇到散射和杂散光的问题。当透镜的NA比光源大得多时，图像可能显得暗淡并且缺乏足够的对比度。在遮光照明装置中，通常使用远心透镜作为成像透镜。由于它们的结构，远心透镜的放大率在靠近或远离物体时保持不变。这使得它们非常适合于遮蔽照明有益的应用，例如测量物体上缺陷的形状和大小。与标准固定焦距成像透镜相比，远心透镜通常具有更小的数值孔径，从而使所选择的照明更加关键。

传统背光

传统的背光是放置在被检查物体后面的发散光源。它们通常是通过将许多小型光源（如LED或随机定向的光纤）放置在漫射器后面来构建的，以创建用于要求较低的遮挡成像设置的光源。当不需要精确的边缘检测时，例如在显微镜应用中或对于非反射物体，通常使用这些光源。这些传统背光灯的额外优点是价格相对较低，可用性广，结构较小，易于集成到空间受限的设备中。

由于这些类型的背光将发散光源与漫射器集成在一起，因此产生的光通常会散射出物体的边缘。如图5所示，如果物体是金属的且具有反射性，则这一点可能特别明显。

图5：使用传统背光的物镜轮廓

这种散射会表现为边缘出现梯度和模糊，这可能会使用户或软件很难分辨出物体的边缘在哪里。大量散射也可能照亮物体的不必要部分，并导致获取误导性数据。图6所示的边缘轮廓具有从亮到暗（从高到低）的相对强度，范围约为30个像素，物镜侧面的文字会在数据中产生波纹。

图6：使用传统背光获得的边缘轮廓

掩蔽背光

如果从传统的发散背光获得的轮廓边缘的散射光对于应用来说是不可接受的，那么增加背光和物体之间的距离将使背光的光线看起来不那么发散。然而，这并不总是最好的解决方案，因为如果背光太远，可能会损失太多的光。如果背光太靠近物体，则背光固有发散的散射效应仍然存在问题。

7：传统背光与掩蔽背光

为了遮蔽背光，应使用诸如绒毛纸之类的不透明材料来阻挡背光中不需要的部分。这种方法是有利的，因为它是对光的快速且低成本的修改。缺点是遮罩无法完全消除边缘散射，并且可能需要为不同大小的对象不断重新遮罩灯光。当物体在透镜视场中移动时被检查的物体也不能有效地被掩盖。图8比较了已屏蔽的背光和未屏蔽的背光。

图8：使用传统背光（左）和遮蔽背光（右）的物体边缘

准直背光

类似于传统背光的结构，准直背光包含不同的发散光源和漫射器，但具有额外的准直膜以减少背光的发散。这种薄膜只允许一定角度范围内的光线出射，从而形成一个发散度较低、轮廓较低的光源。这种集成膜提供了低边缘散射的优点，而无需为不同尺寸的物体遮挡现有背光。

图9：高级照明边缘照明准直LED背光

虽然这些背光并没有真正准直，但在遮光照明设置中，这种改进是显而易见的。图10是具有更锋利轮廓边缘的减少边缘散射的示例。

图10：高级照明边缘照明准直LED背光

当查看边的强度轮廓时，会确认干净边的外观。图11显示了从亮到暗的过渡过程中更陡的斜率，发生在大约20个像素上，并且没有像图6中那样受到噪声的影响。

图11：使用准直背光获得的边缘轮廓

在边缘散射令人担忧的情况下使用准直背光，但空间和预算限制不允许使用远心照明器。

远心照明器

当高精度应用需要最精确的测量时，应将远心照明器视为光源。远心照明器的工作原理与远心成像透镜类似，但它不是由前光学元件将孔径光阑投影到无穷远，而是投影光源。当这两个光学系统结合使用时，与前面提到的背光选项相比，它们提供了优越的性能和对比度。

远心照明器的主要优点是通过其光学设计实现的高度准直。发散LED光源集成到组件中，产生准直光线，通常在不到一度的真实准直范围内。这些类型的远心照明器是通过精确定位一个大的正透镜和一个小而强大的LED来构建的，从而创建一个照明轮廓，该轮廓可以创建清晰的轮廓，并比其他背光方法更好地匹配远心成像透镜的NA。图13显示了由远心照明器背光的图10中的同一物体。该物体没有表现出从传统背光中看到的边缘散射效应，并且与准直背光相比具有更尖锐的边缘过渡。图14证实了这种急剧的转变，从亮到暗的斜率发生在不到10个像素的范围内。

图13：使用远心背光的物镜轮廓

图14：使用远心照明器获得的边缘轮廓

实现这些高对比度轮廓确实有其缺点。远心照明器通常在成本上更高并且比先前讨论的背光选项大得多。由于远心透镜的光学设计，前元件的尺寸将决定被照射光斑的尺寸。如果需要大视场，则需要大的远心照明器，从而增加系统的尺寸和重量。此外，源的低NA有助于创建没有散射效应的图像，但会使对齐更加困难。如果远心照明器和透镜之间的对准甚至偏离一定程度，则照明器产生的光斑将显得非常暗淡，并且边缘对比度将降低。图15显示了当透镜和照明器不对齐时，轮廓受到影响的速度有多快。

图15：对准产生的照明点（左）和偏离对准20弧分（右）

制造商对远心照明器的规范有时可能会导致混淆。当与远心成像透镜一起使用时，工作距离值是一个有意义的规范，因为它描述了透镜可以正确聚焦的物理距离（或距离范围）。远心照明器不会聚焦光线或创建图像，因此这个数字通常没有用处。由于在制作良好的远心照明器中有效的光收集和准直，光与物体之间的物理距离可以远大于所述的工作距离。当考虑远心照明器时，最适用的规范是准直光束的最大直径、透镜的物理尺寸和数值孔径。这些规范为选择合适的照明和透镜组合提供了基础。

结论

图16显示了同一物体的边缘轮廓，作为亮背景和暗边缘之间转换的像素数的比较。远心照明器具有最快和最一致的截止，而准直背光具有在大约两倍像素量上发生的一致斜率。来自传统背光的斜率起初具有与准直背光相似的轮廓，但是由背光的高发散引起的附加散射表明该轮廓难以快速达到较暗的强度。传统背光轮廓中的不一致性来自于物体边缘上的文字，该文字由于较高的边缘散射而仅可见，这突出了使用传统背光时的另一个可能问题

图16：使用传统背光（蓝色）、准直背光（绿色）和远心照明（红色）获得的组合边缘轮廓

审核编辑：黄飞