机器视觉系统LED照明技术有哪几种?选择光源的一些技巧

　　自动化集成系统配套服务商-日弘智能今天为大家讲讲机器视觉系统LED照明技术有哪几种?选择光源的一些技巧。目前，应用在机器视觉领域的LED光源可以分为2大类：一类是正面照明，一类是背面照明。

　　正面照明用于检测物体表面特征，背面照明用于检测物体轮廓或透明物体的纯净度。

　　正面光源按照光源结构分，有环形灯、条形灯、同轴灯和方形灯。

　　1 环形LED光源

　　环形状的光源是不会看到影子的光源方式。它又包括直射环形、漫反射环、Dome灯等;按照角度又可分为：完全直射环形、带角度环形、低角度环形等。直射环形适合高速检测远距离照射;漫反射环形适合检测反光物体检测;Dome灯即圆顶型散射光源主要用于检测球型或曲面物体检测，它不是直接照射，而是通过多次漫反射照到被测物体，光照效果类似阴天的太阳光。

　　环形光源，采用LED按圆周排列，发出的光线向内汇聚，多用于金属工件刻印字符、光滑表面划痕、瓶口尺寸或裂纹、平面工件表面质量等的检测。光源发出的光不直接进入相机，瑕疵等表面的变化引起光线改变方向进行镜头，从而实现了高对比度，一般黑背景均用此类光源实现。光源的尺寸和光线角度等选择直接依赖于被测工件的光学性质。

　　1.1 直射环形光源

　　直接照射环形光源，按照射角度分，有直射环形(垂直照射)，带角度环形，低角度环形和水平照射环形等。不同的角度适合不同的检测要求。

　　1.1.1 直射环形(垂直照射)光源

　　例如，采用该照明方式，可用于金属齿轮的外形检测。

　　1.1.2 带角度环形光源

　　1.1.3 低角度环形光源

　　照射角度很低，有利于突出边缘轮廓。多应用场合于晶片或玻璃底基上的划痕监测;刻印文字的读取;工作边缘轮廓抽取检查等。图11为低角度环形光源的照明方式。例如，采用该照明方式，可实现电池底部刻印的检测。

　　1.1.4 水平照射环形光源

　　图12为水平照射环形光源的照明方式。该照明方式可用于玻璃瓶口破损的检测。

　　1.1.5 无影环形光源

　　又称为Dome灯，通过半球形的内壁多次反射，可以完全消除阴影，实现全空间区域的漫射光照明，对于凹凸不平的表面检测起到特殊作用，主要用于球形或曲面物体缺陷检测、金属、镜面或玻璃等具有光泽物体的表面检测。

　　图13为无影环形光源的照明方式。

　　1.2 条形光源

　　条形光源主要有两个应用，一个是宽幅检测，2个或4个条形组合使用;另一个是线扫描的照明。

　　将条形光源组合使用，它的最大特点是每个方向的光源照射角度可调，因为光源的照射角度对最终的图像效果有很大影响。灵活性比较大，但调试时也相对费事一些。图14为宽幅检测条形光源的照明方式。例如，该照明方式可用于商品的印字检测。

　　线扫描照明，也称聚光光源，是配合线扫描相机使用的。线扫描相机每次都是采集一条线，且曝光时间短，对光源亮度要求很高。对光源和相机来说，有效的工作区域都是一个窄条。也就是保证光源照在这个最亮的窄条与相机芯片要完全平行，否则只能拍到相交叉的一个亮点。所以线光源有两个特别的要求，就是均匀性和直线性。因为线光源不同位置的亮暗差异，会直接影响图像的亮度高低。光源需要采用聚光镜，使光线集中照到一条线上，这样才能准确控制图像的稳定性。出光部分的直线性，取决于LED发光角度的一致性、聚光透镜的直线性以及线光源外壳的直线性。图15为线扫描条形光源的照明方式。

　　线扫描照明，常用的有几种办法：超高亮LED+聚光镜、光纤+聚光镜、高频荧光灯+聚光镜。其中第二种方案亮度特高，成本也较高，需要定期更换卤素灯泡;第三种方案成本低，但要使用高频电源。

　　1.3 同轴光源

　　同轴照明是指照明光线平行地穿越固定式同轴镜头的垂直面，对于观察非常平整或抛光的表面是非常理想的，例如镜子表面的划痕或者其他瑕疵。

　　图16为同轴光源的照明方式。LED的高亮度均匀的光线通过半透半反镜后成为与镜头同轴的光线，用于均匀照射具有反射性的工作界面，对光洁表面上的异常特征成像突出，表现力好，主要用于金属玻璃等光洁表面的划痕检测，芯片和硅片的破损检测，PC模板的圆谱等的检测。同时，同轴光的光源位于照明光路的侧面，这样的照射方式可以减少光路的复杂性，避免光源的放置给光路带来的不必要的麻烦。例如，轴承外侧伤痕检测。

　　同轴光源属于类平行光的应用，光源前面带漫反射板，形成二次光源，光源主要方向趋于平行，但是有少量非平行光成分。

　　但是需要注意的是：同轴灯可以消除反光，但只适合检测平面的物体，而不适合检测有弧度的物体。因为同轴灯让相机只能接收与物体垂直，也就是和镜头同轴的光线，所以就叫同轴灯。

　　同轴光源还有一种，就是点光源。因为点光源是和同轴镜头配合使用。事实上，只是把上面同轴灯45°半透半反的玻璃，移植到镜头里面去，所以选的是同轴镜头。点光源的发光部分为一个很小的圆面，近似一个点。可组合使用重点照明或补光照明。例如，用于细小元件的外观检测，是否有裂缝、破损，或者电极位置。

　　1.4 背光源

　　背光的作用就是让透光和不透光的部分，区分开来：透光的地方呈白色，不透光呈黑色。这样取得一个黑白对比的图片。选择光源一个是选型，一般需要均匀性好;二是看穿透力，如果需要穿透力强的话就可以选红外光源，因为波长长，穿透力更强。

　　LED灯用于背面照明(检测物体轮廓或通明物体的纯净度)，其发光部分为一漫射面，均匀性好，用于观察放在镜头和光源之间的被检查对象的形状，透明物体的伤痕，异物混入等的检查。可以得到对比强、稳定的成像。但是安装时，需要比物体更大的光源发光面，在物体的后方设置光源空间等。

　　1.5 机器视觉LED光源颜色选型

　　光源一般有红、绿、蓝、白、红外和紫色等颜色。

　　红色用得最多，因为红色LED成本低，并且黑白CCD芯片对660nm红色光线最敏感。

　　蓝色波长短，适合检测金属物体表面质量。

　　紫外的波长更短，其散射性更好。

　　白色是中性颜色，适合拍彩色图片，或者被测物体的颜色在变化的。

　　绿色的亮度很高，且波长和蓝色接近，所以有时可用绿色代替蓝色。

　　红外用于半透明等的物体检测。

　　使用相同颜色的光或相近颜色的光源照射可以使被照射部分变亮;使用相反颜色的光或相反颜色的光源照射可以使被照射部分变暗。

　　不同的波长，对物质的穿透力(穿透率)不同，波长越短，对物体的穿透力愈强，波长越长，对物质表面的扩散率愈大。

　　1.6 LED照明方式的选择

　　一般情况下，在选择光源时需要考虑五个技术方面的因素：方向、光谱、偏振性、强度、均匀性。

　　然后根据了解的相关前提信息，包括：

　　①检测内容，如外观检查、尺寸测量、定位等;

　　②被测物的形态、颜色、材料、运动状态等;

　　③相应的限制条件，如工作距离、工作条件、工作环境和相机类型等，选择出合适的光源类型。

　　最后再根据预算、使用习惯、品牌知名度等对不同品牌的相同或类似类型产品进行比较选择。

　　在选择光源时，都习惯性的有一个假设前提：这个光源是稳定可靠的。因为光源、相机、镜头此类机器视觉系统前端的产品通常是在接近理想的清洁或者良好的环境中使用的。但是，工业现场生产线上的光源等产品经常必须在有毒、高温、强湿、肮脏的环境中运行，并且必须要承受振动和热应力，因此，工业用途中使用的光源等产品需要在设计、选料、生产的时候就考虑到特殊的使用环境并使其产品能使用这种环境的应用。

　　选择光源的一些技巧：

　　①当需要前景与背景更大的对比度时，可以考虑用黑白相机与彩色光源;

　　②对于环境光的问题，可以尝试用单色光源，再搭配一个滤镜;

　　③对于闪光的曲面物体，可以用散射圆顶光源;

　　④对于闪光的平的物体，但是粗糙的表面，可以用同轴散射光源;

　　⑤如果检测物体表面的形状，可以用低角度光源;

　　⑥检测塑料的时候，可以用紫外或红外光源;

　　⑦当需要通过反射的表面看特征时，可以用低角度线光源;

　　⑧当单个光源不能有效解决问题时可以用组合光源。

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