机器视觉系统中的光源

机器视觉系统中的光源一、概述光源是机器视觉系统中重要的组件之一，一个合适的光源是机器视觉系统正常运行的必备条件。因此， 机器视觉系统光源的选择是非常重要的。使用光源的目的是将被测物体与背景尽量明显分别，获得高品质、 高对比度的图像；将运动目标凝固在图像上；增强待测目标边缘清晰度；消除阴影；抵消噪声。机器 视觉有三大技术即采像技术，处理技术，运动控制技术，而采像技术离不开光源，光源的选择及其性能直 接影响系统的成败，影响处理精度和速度。所以光源在机器视觉系统中起到了举足轻重的作用。为机器视 觉系统选择光源时，最基本是要考虑亮度、光源的位置、表面纹理与形状、鲁棒性、色彩等因素，只有光 源在满足生产管理或是质量检测时对于这些因素的要求，才能获取清晰的图像资料，作为准确的数据信息 供工作人员使用。因此，选择光源时要考虑的这些因素，可以说是最基本的因素，是判断光源是否可用的 依据。然而，机器视觉系统光源的种类比较繁多，想要达到更佳的效果，就要在确保可用的基础上，具体 到选择合适的种类。二、光源的评价要素1）对比度对比度对机器视觉来说非常重要。机器视觉应用的照明的最重要的任务就是使需要被观察的特征与需 要被忽略的图像特征之间产生最大的对比度，从而易于特征的区分。对比度定义为在特征与其周围的区域 之间有足够的灰度量区别。好的照明应该能够保证需要检测的特征突出于其他背景。2）鲁棒性鲁棒性就是对环境有一个好的适应。好的光源需要在实际工作中与其在实验室中的有相同的效果。3）亮度当选择两种光源的时候，最佳的选择是选择更亮的那个。光源的亮度不够，必然要加大光圈，从而减 小了景深。4）均匀性均匀性是光源一个很中要的技术参数。均匀性好的光源使系统工作稳定。5）可维护性可维护性主要指光源易于安装，易于更换。6）寿命及发热量光源的亮度不易衰减过快，这样会影响系统的稳定，增加维护的成本。发热量大的灯亮度衰减快，光 源的寿命也会受到很大影响。三、机器视觉系统中的光源的种类3.1光源种类目前的机器视觉系统光源市场，最为常见的光源主要有高频荧光灯、光纤卤素灯以及LED灯三种。 高频荧光灯就是我们日常生活中所使用的荧光灯，其使用寿命约15003000小时，相对处于中等水平。 高频荧光灯扩散性好，比较适合于进行大面积均匀的照射，但是响应速度慢、亮度较暗是其最大的弊端。 因此，在其应用方面比较适合于获取低标准大面积图像；光纤卤素灯是卤素灯与光纤导管的有效结合，是 由光纤导管将卤素灯泡所产生的强光，转向被测物进行照明。卤素灯亮度高，但响应速度慢、寿命短、不 具备光亮度和色温的变化，适应亮度要求高，但检测项目较少的应用；LED光源采用的是由多个LED灯 以某一特定形状组合起来对被测物进行照明的方式，这是目前被普遍采用的照明方式，应用范围比较广。 3.2 LED光源种类荧光灯亮度以及稳定性太差决定了在许多机器视觉系统中被淘汰，卤素灯价格昂贵、使用寿命太短， 使应用无法达到普及，而LED光源以稳定性强、使用寿命长等性能优势得到了广泛的应用。同时，LED 光源因为是由LED灯组合而成的，因此按照其结构不同又有了不同的分类。1）环形光源环形光源也俗称光管、日光灯管，其光源采用LED作为发光体。传统的日光灯管又称荧光灯。利用 不同照射角度、不同颜色组合对被测物体整体进行照明，更能突出物体的三维信息。高密度LED阵列，高亮度，解决了对角照射的阴影问题。图1环形光源灯两端各有一灯丝，灯管内充有微量的氩气和稀薄的汞蒸气，灯管内壁上涂有荧光粉，两个灯丝之间 的气体导电时发出紫外线，使荧光粉发出可见光。LED灯管有很多优点，一般用于普通照明，写字楼，商 场，酒楼，学校，家庭，工厂等室内照明。发光原理：PN结的端电压构成一定势垒，当加正向偏置电压时势垒下降，P区和N区的多数载流子 向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以会出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载 流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去。这就是PN结发 光的原理。2）背光源采用高密度LED阵列面提供高强度背光照明，是突出物体最明显的一种照明光源，适合作为显微镜 的载物台，对机械零件尺寸的测量，胶片污点的检测以及透明物体划痕检测等。由于传统LCD显示设备上CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamps，冷阴极荧光灯）背光技术及产品的某 些先天不足，例如色域狭窄、能源利用率低其功耗较高和寿命短小等，所以人们一直在寻找着其替代技术 及产品，而在这个过程中，LED背光技术产品便被纳入了人们的选用范畴。从发光原理上来看，由于LED是由数层很薄的掺杂半导体材料制成，一层带有过量的电子，另一层 则缺乏电子而形成带正电的“空穴”，工作时电流通过，电子和空穴相互结合，多余的能量则以光辐射的 形式被释放出来,LED正是根据这样的原理实现电光的转换，又根据半导体材料物理性能的不同，LED可发 出从紫外光到红外光不同光谱下不同颜色的光线，特别是LED不能发出白光的技术问题解决之后，为LED 在显示领域的应用奠定了根本性的基础。采用LED为液晶电视的背光源，最主要目的是提升画质，特别是色彩饱和度上，LED背光技术的显 示屏可以取得足够宽的色域，弥补液晶显示设备显示色彩数量不足的缺陷，使之能达到甚至超过Adobe RGB和NTSC色彩标准要求，可以达到NTSC ratio 100%以上，其中索尼推出采用LED背光的液晶电视面 板，特别强调鲜红和深绿的表现，可显示较以往的方式更为逼真的颜色。同时因为LED的平面光源特性， 使LED背光还能实现CCFL无法比及的分区域的色彩和色度调节功能，从而实现更加精确的色彩还原性， 以适应平面出版和图形设计工作的需要，画面的动态调整可以使得在显示不同画面时，亮度与对比可以动 态修正，以达到更好的画质。另夕卜，LED作为背光源的优点是可以取代color filter的使用。以三色RGB LED采用色序法（color sequential）技术，利用人类视觉暂留的特性，达到全彩的效果，因此可以取代彩色滤光片。当然，这必须配 合液晶的反应速度才能达到。不过要达到此境界，仍有许多困难必须克服。不过LED背光模块也不是没有缺点，耗电量的问题仍然是LED背光模块必须克服的重要课题。由于 采用较多的LED，除了耗电量增加之外，也导致温度升高的问题，因此也必须增加冷却系统与传感器来解 决此问题，因此在厚度上显得较采用CCFL背光的产品来得厚。尽管LED背光技术有着很多优点，但是其同样也有着难以回避的普及应用难点，首先来说，应用了 这种新技术的产品在价格方面还不具优势，再者,LED技术掌握在少数厂商手中为其普及带来困难，最后 就是该项技术自身的原因，LED背光技术在发光效率、电流控制和散热上还不是做的很好，从长远的趋势 来看，LED背光技术作为一种替换型的技术产品存在肯定会慢慢的普及开来，而根据相关的行业预期，这 种大面积应用应该在2008年。当然随着三星、LG的新面板技术的快速发展，其也有可能提前大面积应用。3）同轴光源：可以消除物体表面不平整引起的阴影，最大程度的减少干扰。基本特性：LED灯具有体积小、能耗小、热量低、亮度高、寿命长、环保及坚固耐用等多种优越 性能，是目前最为理想的光源选择，LED同轴光源基于LED灯的基本性质，经加工设计后，发出的光线 平行垂直照射，均匀，适用于反射度极高的金属表面以及玻璃等，能够清晰的反映出凹凸物体的表面图像。照明原理：在同轴灯里面安装一块45 度半透射半反射玻璃。将咼亮度，咼密度的 LED阵列排列在线路板上，形成一个面光 源，面光源发出的光线经过透镜之后，照射 到半透射半反射玻璃上，光线先通过全反射 垂直照到被测物体上，从被测物体上反射的 光线垂直向上穿过半透射半反射玻璃，进入 摄像头。这样就既消除了反光，又避免了图 像中产生摄像头的倒影。物体所呈现出清晰 的图像，并被相机捕获，用于进一步的分析 和处理。适用场合：由于明亮均匀的照明光源能够覆 盖整个视场，因此这套照明光源系统可以成 为镜面加工过程中检测刮痕的理想光源。在工业 中，可以用标准的同轴照明光源，检测轴承 的边缘及其破损情况。图2同轴光源成像示意图4）点光源另外，同轴光源还有一种，就是点光源。大功率LED，体积小，发光强度高，可替代光纤卤素灯。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度半透射半反射的玻璃，移植到镜头里 面去了，所以这时选的是同轴镜头。5） LED条形光源图3条形光源成像示意图基本特性：将高密度LED阵列放置在紧凑的，成直角且可倾斜的矩形照明单元中。LED条形光源可 提供斜射照明，亮度高。它的灵活性较大，但调试时也要相对费事一些。LED条形光源的低角度照射是检 测金属表面边缘和突出印刷、破损的理想照明。照明原理：将LED以高密度排列在单个条形平面电路板上。根据其设计特点，条形光源的安装角度 可以进行调解，并且可以以任意角度照射在被测物体表面，光线的角度和方向可以完全改变所获取的图像。适用场合：条形光源可以用来检测印刷在包装箱上的文字，保鲜膜的破损以及传送带的损伤等。6）低角度方式照明基本原理：低角度方式照明采用LED环形光源，与环形光源不同的是，他更大，安装的角度更低， 接近180度。低角度方式下，光源以接近180度角照射物体，容易突出被检测物体的边缘和高度变化。适 合被测物体边缘检测和表面光滑物体的划痕检测。配备材料：若干小型LED光源，两个环形LED线路板及铝制外壳，一个CCD相机，一个相机托架，两 个光源托架，各种连接电缆适用场合：检测平面和有纹理的表面。当需要清晰的显示出物体的边缘轮廓，并检查出金属表面边缘 的破损情况时，也很适用。图4低角度方式照明图图5低角度方式照明效果四、机器视觉中主要使用三种光源机器视觉中主要使用的三种光源：同轴光源，条形光源，零度角光源（低角度方式照明）都具有自身 的优势和特性。三种照明方式皆适用于平面物体，且都能检测出物体表面的刮痕和破损。对于带弧度的物 体，需要用到另外的LED光源。同轴光源设计巧妙，最大的特性是能够作为反射度极高的金属表面以及玻璃的照射光源，在镜面加工 工业中，具有不可替代的作用。在配置过程中，尤其需要注意调节凸透镜和半透射半反射玻璃的位置。为 了得到最佳的照明效果，应该进行反复的调试。条形光源最大的特性是灵活性大，可以从多个角度采集图像，获得全方位的图像信息。对于需要获得 全面的表面特征的物体，如检测被测物体是否有光泽，是否有表面纹路时，可以选择条形光源。低角度光源最大的特性是物体的边缘轮廓显示得非常清晰，重点运用于检查金属边缘的破损情况。但 同时也要注意这种低角度方式照明对光源的散热要求较高，而且会产生极度阴影，选择时可根据实际需要 来看。