机器视觉照明设计：优化视觉检查的关键技术与应用指南

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    概述

    照明的质量和适用性是创建强大而及时的视觉检查的关键方面。要设计有效的视觉照明解决方案，除了了解照明类型，技术，几何，过滤，传感器特性和颜色外，还需要对检测环境进行全面分析，包括样本性能和样品/光相互作用。设计和遵循严格的照明分析序列提供了一个一致，强大的环境，可最大程度地利用时间，能量和资源 - 更好地利用视觉系统设计，测试和实现的其他关键方面。该教程展示了机器视觉照明的概念和理论。

    目录

    1。简介

    2。视觉照明源和光谱内容

    3。视觉照明的基石

    4。考虑优化照明解决方案

    5。照明技术

    6。应用区

    7。照明分析顺序

    8。摘要

    1。简介

    视觉系统设计和实现的其他方面也许导致延误，成本超支和一般恐慌，而不是照明。从历史上看，照明通常是指定，开发或资金的最后一个方面。这种方法并不是完全没有根据的，因为直到最近，市场上还没有真正的视觉照明，这意味着照明解决方案通常由标准的白炽灯或荧光消费产品组成，其环境贡献数量不同。

    本指南旨在提出用于开发样品的标准方法，而不是在理论处理中纠缠。它在实际框架中详细介绍了相关方面，并在适用的情况下从以下方面提供了示例：

    ①了解照明类型和应用的优点和缺点，视觉摄像机和传感器的量子效率和光谱范围，照明技术及其应用领域相对于表面平坦和表面反射率

    ②熟悉视觉照明的基石：几何，图案或结构，波长和过滤器

    ③详细分析即时检测环境（物理约束和要求）以及独特样品的样品/光相互作用

    New  （）认为，当您在这些领域积累和分析信息时，您可以根据特定的样本和检测要求实现机器视觉照明分析的主要目标 - 为符合三个验收标准的样品提供适当的照明：

    ①对这些功能的最大使用的比较

    ②在其他地方最小化对比度

    ③提供强大的措施

    每次检查都是不同的，例如，符合验收标准1和2的照明解决方案仅在组件大小，形状，方向，位置或环境变量（例如环境光贡献）中没有不一致的情况下才有效（见图1） 。

    图1。纸条包装上的玻璃纸包装器表明，左侧符合所有三个接受标准，而右侧仅符合一号和两个标准。在这种情况下，皱纹不排除良好的条形码读数。但是，如果皱纹在下一个软件包上处于不同的位置怎么办？

    2。视觉照明源和光谱内容

    机器视觉中使用的常见照明源是荧光灯，石英卤素灯，LED，金属卤化物（汞）和氙气。

    荧光灯，石英卤素灯和LED是机器视觉中使用最广泛的照明类型，尤其是中小型检查站。金属卤化物，氙气和高压钠通常用于大规模应用或需要非常明亮的光源的区域。金属卤化物（也称为汞）通常用于显微镜，因为它具有许多离散的波长峰，它们补充了用于荧光研究的过滤器。氙气灯对于需要非常明亮的频闪灯的应用非常有用。

    图2显示了荧光灯，石英卤素灯和LED照明类型以及适用于机器视觉的相关选择标准的优点和缺点。例如，尽管LED照明具有更长的寿命，但石英卤素照明可能是特定检查的选择，因为它提供了更大的强度。

    图2。普通视觉照明源的比较

    从历史上看，荧光灯和石英卤素灯源已被广泛使用。近年来，LED技术的稳定性，强度和成本效益得到了提高，但是对于大区域照明而言，它仍然没有成本效益，尤其是与荧光灯源相比。但是，如果应用程序灵活性，输出稳定性和寿命是重要的参数，则LED照明可能更合适。根据特定的照明要求，您通常可以使用多种照明源类型进行特定的实现，并且大多数视觉专家认为一种光源类型并不能充分解决所有照明问题。

    不仅是光源的亮度，还包括光谱的含量（图3）。例如，显微镜应用通常使用全光谱石英卤素灯，氙气灯或汞灯，尤其是在颜色成像时；但是，随着“全彩RGB”和白色LED灯头的出现，单色LED灯源也可用于黑白CCD摄像头。 ，现在也用于颜色应用中。

    在需要高光强度（例如高速检测）的应用中，将光源的光谱输出与特定视觉摄像机的光谱灵敏度匹配可能很有用（图4）。例如，基于CMOS传感器的摄像机比其电荷耦合器件（CCD）相对敏感，在使用富含红外LED或富含红外钨的光源时，在检测设置中具有明显的灵敏度优势。

    图3。光源和光谱含量的相对强度（底部的栏表示人类可见光波长的大致范围）

    图4。相机传感器的绝对量子效率和波长（底部的栏表示人类可见波长的大致范围）

    此外，图3和4显示了选择相机和光源时要考虑的其他几个相关点：

    ①尝试将传感器的峰值灵敏度与光源的峰值波长匹配，以充分利用其输出。

    ②当与狭窄的通滤波器匹配时，狭窄的波长源（例如单色LED或汞）有利于传递战略波长。例如，与红色LED灯相匹配的红色660 nm带通滤波器可以有效地阻止高架荧光灯或汞源的工厂地板的环境灯。

    具有原始的强度和宽带光谱含​​量，可以质疑任何视觉检查结果 - 使用不透明的房屋。

    ④即使您的思想善于解释您的眼睛所看到的，人类的视觉系统在极端敏感性和光谱动态范围方面远非足够 - 让您的眼睛看到使用视觉摄像机获得的图像。

    3。视觉照明的基石

    视觉照明的四个基石是：

    ①几何 - 样品，照明和相机之间的三维空间关系

    ②结构或图案 - 光明在样品上的光的形状

    ③波长或颜色 - 样品如何反射或吸收光及其直接背景差异

    ④滤波器 - 差速器阻断和传递波长和/或光的方向

    了解如何使用四个基石来操纵和改善样本对比对于满足评估照明质量和鲁棒性的三个接受标准至关重要。通过几何形状影响对比度的变化涉及移动样品，光和/或相机位置，直到找到合适的配置为止。例如，同轴环（安装在相机周围）可能会在半反射条形码表面上产生热点眩光，但是只需将光线移开，热点眩光也会从相机的视野中移出。按照样品上投射到样品上的光的结构或形状，对比度变化通常是针对光头或照明技术的（请参阅本系列第2部分的照明技术部分）。通过颜色照明对比的变化与不同的颜色吸光度与反射率有关（请参阅样品/光相互作用）。

    4。考虑优化照明解决方案

    就照明环境而言，确定最佳照明解决方案时需要考虑两个方面：（1）即时检测环境和（2）样品/光相互作用

    考虑这些评估中的所有信息，以及可用的光学，照明类型，技术和四个基石，以开发符合三个接受标准的样本友好的照明解决方案。

    即时检查环境

    充分了解3D空间中立即检查区域的物理要求和局限性至关重要。特别是，根据特定的检查要求，使用机器人拾取机或预先存在但必要的支撑结构可能会严重限制有效的照明解决方案的选择，而不仅要折衷，而且还可以限制其几何，工作距离，强度和模式。例如，您可以确保需要使用扩散的光源，但是由于自上而下的特写量有限，因此无法应用。对高速线路的检查可能需要强烈的连续光或闪光灯才能冻结运动，当然，大型物体在照明方面也完全不同。此外，一致的组件放置和显示也很重要，尤其是取决于正在检查的功能。但是，即使将照明部分放置并不一致地显示，如果完全理解，它也可以用作最后的手段。

    环境光的贡献

    环境光输入的存在可能会对检查的质量和一致性产生巨大影响，尤其是在使用多光谱光源（例如白光）时。最常见的环境影响因素是高架工厂的照明和日晒，但有时会在同一工作单元中其他检查站或其他工作站进行视觉特定于任务的照明。

    有三种处理环境光的有效方法：（1）持续时间脉冲短的高功率门，（2）物理外壳和（3）通过过滤器。应用哪种方法是许多因素的函数，其中大多数将在章节后面详细讨论。高功率门口仅使环境贡献不堪重负，但人体工程学，成本和实施方面存在缺点，并且并非所有荧光灯都可以频闪。如果您无法使用门控，并且如果应用程序需要彩色相机，则需要多光谱的白光才能进行精确的颜色修复和平衡。在这种情况下，狭窄的波长通滤波器无效，因为它会阻止大多数白光贡献，因此外壳是最佳选择。

    但是，此一般规则有例外。例如，一个700nm的短路过滤器（也称为IR阻滞剂）是颜色相机的标准配置，因为红外部件会改变颜色的准确性和平衡，尤其是绿色通道。图5说明了如何使用PASS过滤器可以非常有效地阻断环境光，尤其是当感兴趣的光线是低屈服荧光时。

    图5。左图显示了带有紫外线灯的尼罗螺旋螺母，但充满了660 nm的“环境光”。目的是确定尼龙的存在/不存在。由于周围环境的贡献很大，因此很难从样品的蓝色荧光灯的相对较低的产量中获得足够的对比。正确的图像具有相同的灯光，只是在相机镜头上安装了510nm的短通滤波器，该镜头有效地挡住了红色的“环境”灯并允许蓝色450nm的光线通过。

    样品/光相互作用

   

    样品表面与特定任务和环境光的相互作用与许多因素有关，包括表面形状，几何和反射率及其组成，地形和颜色。这些因素的组合决定了多少光线以及以何种方式反映到相机上，然后可以用于获取，处理和测量。例如，弯曲的镜子（例如苏打罐的底部）（图6）反映了方向性光源，这与平坦的散射反射表面（例如复制纸）不同。同样，根据光的类型和几何形状，地形表面（例如填充PCB）与平坦表面不同的质地或凹坑不同（图7）。

    图6。在左侧，苏打水的底部用明亮的环光照亮，但显示了对比度，不均匀的光和镜面反射。在右侧，可以用漫射光进行苏打水，创建平坦的背景，因此可以读取代码。

    图7。左侧的二维DOT矩阵代码被明亮的场环灯照亮。右侧使用低角度线性深色场灯进行成像。光模式下的简单更改会创建更有效，更强大的检查。

    颜色分析

    图8  - 色轮

    该材料在不同的波长下反射和/或吸收光，这种效果对黑白和颜色成像空间都有效。像颜色反射和表面一样明亮；相反，相反的颜色吸收和表面变暗。使用一个简单的色轮，呈温暖和凉爽的色彩（图8），您可以在零件及其背景之间有所不同（图9），甚至可以在有限的已知调色板（白色相机）上区分颜色零件（图10） 。

    图9。在（a）红光下产生的邮件图像，（b）绿灯，（c）蓝光产生的对比度低于绿色，（d）白光，对比度不如蓝色或绿色。白光对比了所有颜色，但这可能是对比的折衷。

    图10。糖果碎片在（a）白色和颜色CCD摄像机下照明，（b）白色，黑色和白色摄像头，（c）红光，亮红色和黄色和深色蓝色，（d）红光和绿灯，产生黄色，比黄光更明亮，（E）绿灯，绿灯和蓝光，昏暗的红灯和（F）蓝光，亮蓝色的蓝光，使其他灯光变暗。

    样品组成和光透射率

    样品组成会极大地影响任务照明对零件的影响。某些塑料只能在某些波长范围内传输光，否则它是不透明的。有些可能不会发射，而是在内部扩散光；其他人可能会吸收光，并且只能处于相同的波长或不同的波长（荧光）重新排放。荧光标签和染料也常用于印刷行业的墨水（图11）。

    图11。左侧的油瓶用红色的660 nm环灯照亮。在右侧，瓶子用360nm的紫外线灯照亮。

    由于各种原因，红外光的特性可用于视觉检查。首先，红外光对于中和基于颜色的对比差异有效，主要是因为红外光的反射更多是基于样品组成而不是颜色差异。当对比度低时，您可以使用此属性（通常基于白光的颜色反射率）（见图12）。

    图12。在左侧，光滑的纸样品在弥漫性白光下。右边是弥漫性红外光。

    红外光在穿透聚合物材料方面比短波长（例如紫外线或蓝光）更有效，在某些情况下甚至是红光（见图13）。相比之下，这种缺乏穿透深度使蓝光更具成像成像表面的特征，例如黑色橡胶化合物或激光蚀刻。

    图13。在填充的PCB中，红色渗透率为660nm（左图像）和IR 880Nm光。请注意，IR的渗透更好，尽管红色从板顶部的中央孔中溢出。

    当成对使用极化过滤器时，通常螺纹到镜头的样品和摄像机之间的一个在光和样品之间，可用于检测透明样品中的结构晶格损伤（图14）。

    图14。左侧是一个透明的塑料六件容器盒，带有红色背光。右侧显示同样的情况，只是添加了一对极化器，显示了聚合物中的应力场。

    特别是在用来阻止样品的镜面反射时，任何使用极化过滤器都会带来固有的权衡。图15中所示的图像显示了偏振器中等有效且高效的使用，尤其是用于阻断眩光。在图15A-C所示的样品中，可以看出，可以控制从弯曲表面反射的眩光（例如个人护理产品瓶），但不能完全消除（请参阅图15B的中心区域）。这是因为从方向光源在弯曲表面上产生多个反射方向，而极化滤波器无法同时阻止所有振动方向，因此始终粘稠，从而导致某些区域振动。在这种情况下，鉴于灵活性，一种更有效的眩光控制方法是重新考虑照明几何形状。通过简单地将光从镜头周围的同轴位置移动到相对较高的角度，但是离轴位置相对较高，可以完全消除所有镜面反射。相比之下，对于图15DE所示的相对平坦的平面背心表面，可以大大消除镜像，从而产生清晰的图像以进行检查。但是，使用双极化器时要注意的一件事是，它们可以大大降低允许的光，在背心上可以达到2½f-stop，这对于高速，轻度不足的检测不利。

    图15。光/样品，相机几何或类型的变化可能比应用极化器防止眩光更有效。 （a）无偏振器的同轴环灯。 （b）带有偏振器的同轴环灯（注意一些残留的眩光）。 （c）没有偏振轴的环形光（与样品的长轴平行的光轴）。 （d）没有偏振器的同轴环灯。 （e）带有偏振器的同轴环（注：2½F光圈开口）。

    5。照明技术

    照明技术包括背光，扩散（也称为全明亮场）照明，明亮的场（实际上是明亮的场或方向）照明以及深色场照明。

    某些应用需要特定的光和几何形状，或者需要相机，样品和光的相对位置，而另一些则不存在。例如，标准的明亮田径灯光也可以在黑场模式下使用。在这种情况下专门使用散射光。

    大多数视觉照明产品的制造商还提供具有各种技术组合的灯，至少在基于LED的品种的情况下，每种技术都可以单独解决。这种情况可以提高灵活性，并降低潜在的成本，而当一个站点可以在一个站（而不是两个）中进行许多不同的检查。如果对这些照明技术的应用条件和局限性得到充分了解，以及检查环境和样品/光相互作用的复杂性，则可以开发符合三个接受标准的有效照明解决方案。

    图16。背光后面的照明

    背光会产生即时对比度，因为它在明亮的背景下产生了黑色轮廓（图16）。最常见的用途是检测是否有孔和间隙，部分位置或位置或测量对象。如果需要精确（子像素）边缘检测，则使用具有光控制的极化（例如红色，绿色或蓝色）的单色光通常是有用的。

    图17a圆顶扩散图17b。轴上弥散图17C的平坦弥散反射

    扩散（完整的明亮场）照明

    弥漫性或全面田间照明最常用于光泽的镜面反射率或需要均匀但多向光的混合反射率样品。通常可以使用几种扩散照明的实现，但是有三种主要类型（图17A-C），其中最常见的半球形圆顶/圆柱或轴是最常见的。

    例如，漫射的架空灯对照明弯曲的镜面表面有效，例如汽车行业常见的镜面。同轴灯以类似的方式用于平面样品，并且在相对平坦的物体上的角度，纹理或地形特征的差异特别有效。为了有效，散布灯，尤其是圆顶品种，需要靠近样品。

    轴向扩散照明的一个有用功能是，在这种情况下，您实际上可以利用眩光，而不是拒绝或避免镜面眩光，如果可以隔离它以唯一地定义所需的功能（A或多个）功能强大的检查。

    图18。定向明亮的场景

    部分明亮的场或定向照明

    部分明亮的视野照明是最常用的视野照明技术，是日常生活中最熟悉的照明，包括日光。这种类型的照明与完全明亮的区域之间的区别在于，它通常是从点光源引导的，并且由于其方向，它是创建对比度和增强地形细节的好选择。但是，如果在镜子上同轴使用，将产生熟悉的“热点”反射，这将效率低得多。

    图19。黑场照明

    尽管这些技术在日常生活中使用，但黑暗田间照明也许是所有技术中最了解的。例如，使用汽车前大灯依赖于路面低角的光入射，从小的表面缺陷和附近的物体反射回。

    深色场照明可以细分为圆形和线性或方向类型，前者需要特定的秃头几何设计。这种类型的照明的特征是低或中等入射角，通常需要非常接近，尤其是对于圆头品种（图19）。

    明亮的田野和黑暗田野

    下图说明了圆形方向（部分明亮场）的实现和结果之间的差异与镜面上的圆形暗场灯之间的差异。

    图20a。镜子20b的明亮球体图像。镜子的深色场图（注意划痕）

    深色场照明的有效应用取决于以下事实：否则大多数在镜面上的光被泛滥成灾，而不是反射的，而不是反射到相机。反射回相机的光的量相对较小，这意味着它触及了表面上的小特征的边缘，满足方程“反射角等于入射角”（另见图21）。

    图21。左侧的花生脆皮袋在明亮的环光下。在右边，它是在浅色的黑暗田地中，狭缝非常明显。

    6。应用区

    图22显示了基于两个最常见的粗糙表面特征的不同照明技术的潜在应用：（1）表面平坦度和纹理以及（2）表面反射率。

    该图绘制了表面反射率，分为三类：哑光，镜子，与表面平坦，质地或地形混合。当您移动到图表上的右下方时，您需要更多的专业照明几何形状和结构化照明类型。

    可以预见的是，几何独立区域意味着相对平坦且散布反射的表面不需要特定的照明，但是只要符合所有其他必要的条件，例如工作距离，频道，亮度和投影模式，任何射线技术都可能有效。

   

    图22。照明技术的应用领域：表面形状和表面反射率细节（尽管未显示，但任何照明技术通常在图纸的几何独立区域有效）。

    7。照明分析的顺序

    以下照明分析序列采用照明类型，摄像头灵敏度和光学知识，以及对照明技术和视觉照明的四个基础的熟悉。您可以将其用作列表，但这绝不是全面的。但是，它确实为标准化方法提供了良好的工作基础，您可以根据检查的要求进行修改和/或扩展。

    1。立即检查物理环境

    ①物理限制

    在3D空间（工作量）中使用摄像头，镜头和照明

    工作量的大小和形状

    最小和最大摄像头，照明工作距离和视场

    ②零件功能

    静态，移动还是索引样本？

    如果移动或索引，速度，进食和预期的周期时间怎么办？

    频闪？预期的脉搏率，按时和占空比？

    是否有连续或振动？

    这个零件在方向和位置是否一致？

    环境光污染有可能吗？

    ③人体工程学和安全

    操作员与循环中的人互动？

    安全性与封闭或强烈的照明应用有关？

    2。样品/光相互作用

    ①样品表面

    反射率 - 扩散，镜面还是杂种？

    总体几何形状 - 平面，表面还是混合物？

    质地 - 光滑，抛光，粗糙，不规则，多重？

    平坦的地形，多个海拔，角度？

    需要光强度吗？

    ②集成和颜色

    金属，非​​金属，混合，聚合物？

    部分颜色和背景颜色

    透明，半透明或不透明 - 红外传输？

    紫外染料还是荧光聚合物？

    ③污染

    环境对开销或手术台照明的贡献？

    另一个检查站的轻微污染？

    同一检查站的轻微污染？

    3。感兴趣的特征

    4。应用四个照明基石

    轻度摄像机示例的几何问题

    ②光模式的问题

    ③样品和背景之间的色素差异

    ④用于短路，长路或频道应用的过滤器，包括极化

    5。照明技术和类型知识

    ①荧光灯和石英卤素灯与LED进行了比较

    ②明亮的场地，黑暗田野，弥漫或背光

    ③量子效率和光谱范围的相机和传感器范围

    8。摘要

    这种深入的分析通常会导致看似矛盾的方向，并且有必要妥协。例如，详细的样品/光相互作用分析可能指向黑场照明技术的使用，但是检查环境分析表明，光必须远离该部分。在这种情况下，在黑场配置中定向的更强的线性杆可能会产生所需的对比度，但可能需要更多的图像后处理。

    无论分析和理解水平如何，通常在实验室台上实际测试两种或三种照明类型和技术，然后在实际地板实现中进行实际测试。而且，在设计视觉检查和零件处理/显示时，最好先将照明解决方案放置在适当的位置，然后根据照明要求构建剩余的检查。

    详细分析和应用照明类型，技术，技巧和技巧的“工具箱”的目的是帮助您实现最佳的照明解决方案，同时考虑和平衡人体工程学，成本，效率和一致的应用。这可以帮助您更好地指导时间，精力和资源 - 更好地利用视觉系统设计，测试和实施的其他关键方面。

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    结尾

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