照明的質量和適宜性是創建一個強大和及時的視覺檢查的關鍵方麵。 為了設計一個有效的視覺照明解決方案，除了了解照明類型，技術，幾何形狀，濾波，傳感器特性和顏色之外，還需要對檢測環境進行全麵的分析，包括樣品表現和樣品/光線的相互作用。 設計並遵循嚴格的照明分析序列提供了一致和強大的環境，從而最大限度地利用時間，精力和資源 – 在視覺係統設計，測試和實施的其他關鍵方麵得到更好的使用。 本教程演示了機器視覺照明的概念和理論。
目錄
1. 介紹
2. 視覺照明源和光譜內容
3. 視覺照明的基石
4. 考慮優化照明解決方案
5. 照明技術
6. 應用領域
7. 照明分析的順序
8. 概要
9.相關鏈接
1.介紹
也許視覺係統設計和實現的其他方麵一直造成比照明更多的延遲，成本超支和普遍的恐慌。 從曆史上看，照明往往是指定，開發或資助的最後一個方麵。 這種方法並不完全沒有根據，因為直到最近，市場上還沒有真正的視覺專用照明，這意味著照明解決方案通常由標準白熾燈或熒光消費產品組成，具有不同的環境貢獻量。
本指南旨在提出開發適合樣本的照明的標準方法，而不是糾纏於理論處理。 它在實際框架中詳細介紹了相關方麵，並在適用情況下從以下方麵舉例說明：
① 了解照明類型和應用的優缺點，視覺相機和傳感器的量子效率和光譜範圍，照明技術及其應用領域相對於表麵平坦度和表麵反射率
② 熟悉視覺照明的四個基石：幾何，圖案或結構，波長和濾鏡
③ 對即時檢測環境（物理約束和要求）的詳細分析和針對您獨特樣品的樣品/光線相互作用
當您積累並分析了這些領域的信息後，就具體的樣品和檢測要求而言，您可以實現機器視覺照明分析的主要目標 – 提供符合三個接受標準的樣本適當照明：
① 最大限度地利用這些功能的對比
② 盡量減少其他地方的對比度
③提供一個健壯的措施
每個檢查都是不同的，例如，隻有在部件尺寸，形狀，方向，位置或環境變量（如環境光線貢獻度）不存在不一致的情況下，符合接受標準1和2的照明解決方案才有效（見圖1）。
圖1.便簽紙包裝上的玻璃紙包裝紙顯示左側符合所有三個驗收標準，而右側隻符合標準一和二。 在這種情況下，皺紋不排除一個良好的條形碼閱讀。 但是，如果皺紋在下一包裝上的不同位置呢？
2.視覺照明源和光譜內容
機器視覺中常用的照明光源是熒光燈，石英鹵素燈，LED，金屬鹵化物（汞）和氙氣。
熒光燈，石英鹵素燈和LED是機器視覺中使用最廣泛的照明類型，特別是對於中小型檢測站。 金屬鹵化物，氙氣和高壓鈉更典型地用於大規模應用或需要非常明亮光源的區域。 金屬鹵化物，也被稱為汞，經常用於顯微鏡，因為它有許多離散的波長峰，這補充了熒光研究的過濾器的使用。 氙氣燈對於需要非常亮的頻閃燈的應用非常有用。 圖2顯示了應用於機器視覺的熒光燈，石英鹵素燈和LED照明類型以及相關選擇標準的優缺點。 例如，盡管LED照明具有更長的壽命，但石英鹵素照明可能是特定檢查的選擇，因為它提供了更大的強度。
圖2.普通視覺照明光源的比較
從曆史上看，熒光燈和石英鹵素燈光源已被廣泛使用。 近年來，LED技術的穩定性，強度和成本效益都有所提高， 然而，對於大麵積照明，特別是與熒光光源相比，它仍然不具有成本效益。 但是，如果應用靈活性，輸出穩定性和壽命是重要的參數，那麽LED照明可能更合適。 根據具體的照明要求，通常情況下，您可以為特定的實施使用多種光源類型，大多數視覺專家認為，一種光源類型不能充分解決所有照明問題。
不僅要考慮光源的亮度，還要考慮光譜的內容（圖3）。 例如，顯微鏡應用通常使用全譜石英鹵素燈，氙燈或汞燈，尤其是在彩色成像時; 然而，隨著“全彩RGB”和白光LED燈頭的出現，單色LED光源對於黑白CCD照相機也是有用的，現在也用於彩色應用。
在需要高光強度的應用中，如高速檢測，將光源的光譜輸出與特定視覺相機的光譜靈敏度相匹配可能是有用的（圖4）。 例如，基於CMOS傳感器的相機比其電荷耦合器件（CCD）相對更具紅外靈敏度，在使用紅外LED或富含紅外鎢的光源時，在光源不足的檢測設置中具有顯著的靈敏度優勢。
圖3.光源相對強度與光譜內容（底部的條表示近似的人類可見光波長範圍）
圖4.相機傳感器絕對量子效率與波長（底部的條表示近似的人類可見波長範圍）
另外，圖3和圖4示出了在選擇照相機和光源時要考慮的其他幾個相關點：
①嚐試將傳感器的峰值靈敏度與光源的峰值波長相匹配，以充分利用其輸出。
②當與窄通濾波器匹配時，窄波長源（如單色LED或汞）有利於通過戰略波長。 例如，與紅色LED燈相匹配的紅色660 nm帶通濾光片可有效阻止來自高架熒光燈或汞源的工廠地板上的環境光線。
③陽光具有原始強度和寬帶光譜含量，以引起任何視覺檢查結果的質疑 – 使用不透明的房屋。
④ 即使你的頭腦擅長解釋你的眼睛看到的東西，人類的視覺係統在極限靈敏度和光譜動態範圍方麵遠遠不夠 – 讓你的眼睛看到用視覺相機獲得的圖像。
3.視覺照明的基石
視覺照明的四個基石是：
①幾何 – 樣本，光照和相機之間的三維空間關係
② 結構或圖案 – 投射到樣品上的光的形狀
③ 波長或顏色 – 光線如何被樣品及其直接背景差異反射或吸收
④濾波器 – 差分阻塞和通過波長和/或光的方向
了解如何使用四個基石來操縱和提高樣本對比度，對於滿足評估照明質量和魯棒性的三個驗收標準至關重要。 通過幾何體影響對比度變化涉及移動樣本，光線和/或相機位置，直到找到合適的配置。 例如，同軸環形燈（一個安裝在相機周圍）可能在半反射條碼表麵上產生熱點眩光，但是通過簡單地離軸移動光線，熱點眩光也移出照相機的視野。 通過結構或投射到樣品上的光的形狀，對比度變化通常是光頭或照明技術特定的（參見本係列第2部分中的照明技術部分）。 通過顏色照明的對比度變化與差異顏色吸光度對反射率有關（參見樣品/光線相互作用）。
4.考慮優化照明解決方案
就照明環境而言，確定最佳照明解決方案時需要考慮兩個方麵：（1）即時檢測環境和（2）樣品/光照相互作用
考慮來自這些評估的所有信息，以及可用的光學，照明類型，技術和四個基石，以開發符合三個驗收標準的適合樣本的照明解決方案。
即時檢查環境
充分了解立即檢查區域在3D空間中的物理要求和限製至關重要。 特別地，取決於特定的檢查要求，使用機器人拾放機器或預先存在的但是必要的支撐結構可能嚴重地限製了有效照明解決方案的選擇，通過強製折衷不僅限於照明，還有其幾何形狀，工作距離，強度和圖案。 例如，您可以確定需要使用漫射光源，但由於自上而下的特寫有限，因此無法應用。 對高速線路的檢查可能需要強烈的連續光線或閃光燈來凍結運動，當然，大的物體對於照明來說也是完全不同的挑戰。 另外，一致的部件放置和展示也是重要的，特別是取決於正在檢查的特征。 然而，即使照明部分放置和展示不一致，也可以作為最後的手段，如果完全理解。
環境光貢獻
環境光輸入的存在會對檢查的質量和一致性產生巨大影響，特別是在使用多光譜光源如白光的情況下。 最常見的環境影響因素是高架工廠照明和陽光照射，但偶爾會有其他檢測站甚至同一工作單元的其他工作站的視覺特定任務照明產生影響。
有三種處理環境光的有效方法：（1）具有短持續時間脈衝的高功率選通，（2）物理外殼，以及（3）通過濾波器。 應用哪種方法是許多因素的函數，其中大部分將在後麵的章節中詳細討論。 大功率選通隻是壓倒了環境的貢獻，但是在人體工程學，成本和實施方麵卻有缺點，而且並不是所有的熒光燈都可以被頻閃。 如果您不能使用選通，並且如果應用程序要求使用彩色照相機，則多光譜白光對於精確的色彩還原和平衡是必需的。 在這種情況下，窄波長的通過濾波器是無效的，因為它會阻擋大部分的白光貢獻，因此外殼是最好的選擇。
但是，這個一般規則也有例外。 例如，一個700納米的短路濾波器，也稱為IR阻斷器，是彩色攝像機的標準配置，因為紅外成分會改變顏色的準確性和平衡性，特別是綠色通道。 圖5說明了如何使用通過濾光片可以非常有效地阻擋環境光，特別是當感興趣的光是低產量熒光時。
圖5.左圖顯示的是帶有紫外環光的nyloc螺母，但充滿了660 nm的“環境光”。 目標是確定尼龍的存在/不存在。 由於周圍環境的貢獻很大，很難從樣品的相對低產量的藍色熒光燈中獲得足夠的對比度。 正確的圖像具有相同的光照，除了相機鏡頭上安裝了510納米的短通濾波器，可以有效地阻擋紅色“環境”光線，並允許藍色450納米光線通過。
樣品/光線相互作用
樣品表麵與特定任務和環境光的相互作用與許多因素有關，包括表麵形狀，幾何形狀和反射率以及其組成，地形和顏色。 這些因素的組合決定了多少光線以及以何種方式反射到相機，並隨後可用於采集，處理和測量。 例如，一個曲麵鏡麵（如蘇打水罐的底部）（圖6）反射一個定向光源，與平麵漫反射表麵（如複印紙）不同。 類似地，取決於光的類型和幾何形狀，諸如填充PCB的地形表麵不同於平坦但具有細紋理或凹坑（圖7）的表麵。
圖6.在左側，汽水罐的底部用明亮的環形燈照亮，但顯示出差的對比度，不均勻的光照和鏡麵反射。 在右邊，蘇打水可以用漫射光成像，創造一個平坦的背景，所以代碼可以被讀取。
圖7.左側的二維點陣矩陣碼由明場環形光照亮。 右側用低角度線性暗場光成像。 光線模式的簡單改變創造了一個更加有效和強大的檢查。
顏色分析
圖8 – 色輪
材料反射和/或吸收不同波長的光，這種效應對黑白和彩色成像空間都是有效的。 喜歡顏色反射和表麵是明亮的; 相反，相反的顏色吸收和表麵變暗。 使用暖色與冷色的簡單色輪（圖8），您可以在零件與其背景之間產生差異對比（圖9），甚至在有限的已知調色板上區分顏色部分，白色相機（圖10）。
圖9.在（a）紅光，（b）綠光，（c）藍光下產生的郵件圖像，產生的對比度比綠色低，（d）白光，對比度比藍色或綠色少。 白光對比所有顏色，但可能是對比度的妥協。
圖10.糖果碎片在（a）白光和彩色CCD照相機，（b）白光和黑白照相機，（c）紅光下照亮，使紅色和黃色都變亮並使藍色變暗，（d ）紅光和綠光，產生黃色，比黃光更亮，（e）綠光，綠光和藍光，使紅光變暗，（f）藍光，使藍光變亮，使其他光線變暗。
樣品成分和透光率
樣本組成可以極大地影響任務照明撞擊在零件上發生的情況。 一些塑料可能隻透過某些波長範圍的光線，否則是不透明的; 有些可能不會透射，而是內部漫射光線; 還有一些可能會吸收光線，隻能以相同的波長或不同的波長（熒光）重新發射。 熒光標簽和染料也常用於印刷行業的油墨（圖11）。
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