視覺光源基礎(chǔ)介紹與選型技巧

來源：admin 瀏覽：5440 發(fā)布日期：2023-04-04【大 中 小】

　　一套完整的視覺檢測系統(tǒng)主要包含圖像采集部分和圖像分析部分，而圖像采集部分主要由工業(yè)相機、工業(yè)鏡頭以及機器視覺光源承擔，今天我們主要介紹機器視覺光源的相關(guān)基礎(chǔ)知識及選型技巧。

　　首先我們需要了解，機器視覺中的光源起到哪些作用：

　　1. 照亮目標，提高亮度;

　　2. 形成有利于圖像處理的成像效果，降低系統(tǒng)的復雜性和對圖像處理算法的要求;

　　3. 克服環(huán)境光干擾，保證圖像穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的精度、效率。

　　恰當?shù)墓庠凑彰髟O(shè)計可以使圖像中的目標信息與背景信息得到zui佳分離，這樣不僅大大降低圖像處理的算法難度，同時也提高系統(tǒng)的精度和可靠性。但非常遺憾，目前沒有通用的機器視覺照明系統(tǒng)應(yīng)對不同的檢測要求，因此針對每個特定的案例，都需要設(shè)計合適的照明裝置，以達到zui佳效果。而不合適的照明，則會引起很多問題，機器視覺光源如此重要，卻往往被很多人忽視。

　　目前機器視覺光源主要采用LED(發(fā)光二極管)，由于其形狀自由度高、使用壽命長、響應(yīng)速度快、單色性好、顏色多樣、綜合性價比高等特點在行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用：

　　一、形狀自由度

　　一個LED光源是由許多單個LED組合而成的，因而跟其他光源相比，可做成更多的形狀，更容易針對用戶的情況，設(shè)計光源的形狀和尺寸。

　　二、使用壽命長

　　為了使圖像處理單元得到精確的、重復性好的測量結(jié)果，照明系統(tǒng)必須保證相當長的時間內(nèi)能夠提供穩(wěn)定的圖像輸入。LED光源在連續(xù)工作10000到30000小時后，亮度衰減，但遠比其他光源效果好。此外，用控制系統(tǒng)使其間斷工作，可抑制發(fā)光管發(fā)熱，壽命也將延長一倍。

　　三、響應(yīng)速度快

　　LED發(fā)光管響應(yīng)時間很短，響應(yīng)時間的真正意義是能按要求保證多個光源或一個光源不同區(qū)域之間的工作切換，采用專用控制器給LED光源供電時，達到zui大照度的時間小于10s。

　　四、顏色多樣

　　除了光源的形狀以外，得到穩(wěn)定圖像輸入的另一方面就是選擇光源的顏色。甚至相同形狀的光源，由于顏色的不同得到的圖像也會有很大的差別。實際上，如何利用光源顏色的技術(shù)特性得到zui佳對比度的圖像效果一直是光源開發(fā)的主要方向。

　　五、綜合性運營成本低

　　選用低廉而性能沒有保證的產(chǎn)品，初次投資的節(jié)省很快會被日常的維護、維修費用抵消。其他光源不僅耗電是LED光源的2~10倍，而且?guī)缀趺吭戮鸵鼡Q，浪費了維修工程師許多寶貴的時間。而且投入使用的光源越多，在器件更換和人工方面的花費就越大，因此選用壽命長的LED光源從長遠看是很經(jīng)濟的。

　　機器視覺照明技術(shù)基礎(chǔ)知識：

　　1)照射方式

　　選擇不同的光源，控制和調(diào)節(jié)照射到物體上的入射光的方向是機器視覺系統(tǒng)設(shè)計的基本的參數(shù)。它取決于光源的類型和相對于物體放置的位置，一般來說有兩種基本的方式：直射光和漫射光，所有其它的方式都是從這兩種方法中延伸出來的。

　　直射光：入射光基本上來自一個方向，射角小，它能投射出物體陰影;

　　漫射光：入射光來自多個方向，甚至于所有的方向，它不會投射出明顯的陰影。

　　2)反射方式

　　物體反射光線有兩種不同的反射特性：直反射和漫反射。

　　直反射：光線的反射角等于入射角。直反射有時用途很大，有時又可能產(chǎn)生極強的眩耀。在大多數(shù)情況應(yīng)避免鏡面反射。

　　漫反散：照射到物體上的光從各個方向漫散出去。在大多數(shù)實際情況下，漫散光在某個角度范圍內(nèi)形成，并取決于入射光的角度。

　　3)顏色

　　光譜中很大的一部分電磁波譜是人眼可見的，在這個波長范圍內(nèi)的電磁輻射被稱作可見光，范圍在400nm至760nm之間(有的人可以觀測到380~780nm)，即從紫色380nm到紅色780nm。

　　色環(huán)就是把可見光光譜中的色彩進行排序，形成紅色連接到另一端的紫色。機器視覺中應(yīng)用的色環(huán)通常包括6種不同的顏色，分為兩大類：暖色和冷色。暖色由紅色調(diào)構(gòu)成，冷色來自于藍色調(diào)。通常用相反色溫的光線照射，圖像可以達到gao級別的對比度;相同色溫的光線照射，可以有效濾除。因此靈活利用色溫特性，對我們選擇光源很有幫助。

　　4)明視場和暗視場

　　明視場是常用的照明方案，采用正面直射光照射形成。而暗視場主要由低角度或背光照明形成。對于不同項目檢測需求，選擇不同類型的照明方式，一般來說暗視場會使背景呈現(xiàn)黑暗，而被檢物體則呈現(xiàn)明亮。

　　5)光源分類

　　目前主要有以下幾種分類方式：

　　a)顏色

　　常用光源顏色集中在可見光范圍，主要有白光(復合光)、紅色、藍色、綠色，另外紅外光也比較普及，而紫外光由于各種原因，應(yīng)用較少。

　　b)外形

　　各廠家會根據(jù)不同光源外形特性進行分類，也是目前的主流分類，比如環(huán)形光源、環(huán)形低角度光源、條形光源、圓頂光源(碗光源/穹頂光源)、面光源等。

　　c)工作原理/特性

　　按不同的應(yīng)用方式或者原理進行分類，主要有無影光源、同軸光源、點光源、線光源、背光源、組合光源以及結(jié)構(gòu)光源等。

　　常見的光源類型及照明方式

　　1. 一般目的的照明(直接照明)：光直接射向物體，得到清楚的影像。

　　當我們需要得到高對比度物體圖像的時候，這種類型的光很有效。但是當我們用它照在光亮或反射的材料上時，會引起類似鏡面的反光。通用照明一般采用環(huán)狀或點狀照明。環(huán)光是一種常用的通用照明方式，很容易安裝在鏡頭，可給漫反射表面提供足夠的照明。

　　2. 暗場照明：暗場照明是相對于物體表面提供低角度照明。

　　使用工業(yè)相機拍攝鏡子，如果視野內(nèi)能看見光源就認為是亮場照明，相反的在視野中看不到光源就是暗場照明。因此光源是亮場照明還是暗場照明與光源的位置有關(guān)。通常，暗場照明應(yīng)用于對表面突起部分的照明或表面紋理變化的照明。

　　3. 背光照明：從物體背面射過來均勻視場的光，通過相機可以看到物面的側(cè)面輪廓。

　　背光照明常用于測量物體的尺寸和方向。背光照明產(chǎn)生很強的對比度。應(yīng)用背光技術(shù)時，物體表面特征可能會丟失。例如，可以應(yīng)用背光技術(shù)測量硬幣的直徑，但是卻無法判斷硬幣的正反面。

　　4. 漫射照明：連續(xù)漫反射照明應(yīng)用于物體表面的反射性或者表面有復雜的角度。

　　連續(xù)漫反射照明應(yīng)用半球形的均勻照明，以減小影子及鏡面反射。這種照明方式對于完全組裝的電路板照明非常有用。這種光源可以達到170球面度立體角范圍的均勻照明。

　　5. 同軸照明：同軸光的形成——通過垂直墻壁出來的發(fā)散光，射到一個使光向下的分光鏡上，相機從上面通過分光鏡看物體。

　　這種類型的光源對檢測高反射的物體特別有幫助，還適合在周圍環(huán)境產(chǎn)生陰影的影響下，檢測面積不明顯的物體。

　　6. 偏振片：只允許振動方向平行于其允許方向的光通過，垂直分量被截止。

　　針對具體的應(yīng)用，從眾多的方案中選擇一個好的照明系統(tǒng)是整個圖像處理系統(tǒng)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。