一文详解工业视觉中的光源及应用

新机器视觉的来源

光源

机器视觉系统主要由图像采集、图像处理和分析、输出或显示三部分组成。图像采集是机器视觉的核心，图像采集系统由光源、镜头和相机组成。光源的选择和照明是否合理可以直接影响至少30%的成像质量。因此，光源是机器视觉系统的重要组成部分。

作用

通过适当的光源照明设计，使图像中的目标信息与背景信息得到最佳分离，可以大大降低图像处理算法分割、识别的难度，同时提高系统的定位、测量精度，使系统的可靠性和综合性能得到提高。反之，如果光源设计不当，会导致在图像处理算法设计和成像系统设计中事倍功半。因此，光源及光学系统设计的成败是决定系统成败的首要因素。

• 照亮目标，提高目标亮度；
  

• 突出测量特性，简化图像处理算法；
  

• 克服环境光的干扰，保证图像的稳定性，提高图像信噪比；
  

• 提高视觉系统的定位、测量、识别精度和运行速度；
  

• 降低系统设计的复杂性，形成最有利于图像处理的成像效果；
  

分类

1、环形光源

环光源提供不同的照射角度和颜色组合，突出物体的三维信息；高密度LED阵列，高亮度；各种紧凑设计，节省安装空间；解决对角照射阴影问题；可选漫射板导光，光线均匀扩散。应用领域:PCB基板检测，IC元件检测、显微镜照明、液晶校正、塑料容器检测、集成电路印刷检测

2、背光源

用高密度LED阵列表面提供高强度的背光照明，可以突出物体的轮廓特征，特别适合作为显微镜的载体平台。红白背光源和红蓝背光源可分配不同的颜色，以满足不同被测物体的多色要求。应用领域：机械部件尺寸测量、电子元件、IC外观检测、胶片污点检测、透明物体划痕检测等。

3、条形光源

条形光源是测量大方形结构的首选光源；颜色可根据需要自由组合；照射角度和安装可随意调整。应用领域：金属表面检查、图像扫描、表面裂、LCD面板检测等。

4、同轴光源

同轴光源可以消除物体表面不均匀引起的阴影，减少干扰；部分采用分光镜设计，减少光损失，提高成像清晰度，均匀照射物体表面。应用领域：金属、玻璃、胶片、晶片等表面的划痕检测、芯片和硅晶片的损坏检测、Mark点定位，包装条码识别。

5、AOI专用光源

三色光从不同角度照射，突出焊锡的三维信息；加上漫射板导光，减少反射；不同角度组合；应用领域：电路板焊锡检测。

6.球积分光源

半球表面内壁具有积分效应，从底部360度均匀反射光，使整个图像照明非常均匀。应用领域：适用于曲面、凹凸表面、弧形表面检测，或金属、玻璃表面反射强的物体表面检测。

7、线形光源

超高亮度，采用柱面透镜聚光，适用于各种装配线的连续检测场合。应用领域：阵相机照明专用，AOI专用。

8、点光源

大功率LED，体积小，发光强度高；光纤卤素灯的替代品特别适用于镜头的同轴光源；高效散热装置大大提高了光源的使用寿命。应用领域：适用于芯片检测的远心镜头，Mark点定位、晶片和液晶玻璃底基校正。

条形光源的组合

条形光配置在四边，每侧照明独立可控；所需的照明角度可根据被测物体的要求进行调整，适用性广。应用案例：CB基板检测，IC元件检测、焊锡检查，Mark点定位、显微镜照明、包装条码照明、球形物体照明等。

10、对位光源

对位速度快，视野大，精度高，体积小，检测集成方便，亮度高，可选择辅助环光源。应用领域:VA系列光源是自动电路板印刷机对位的专用光源。

LED光源特点

目前，机器视觉光源主要采用LED(发光二极管)由于其形状自由度高、使用寿命长、响应速度快、单色性好、色彩多样、综合性价比高等特点，广泛应用于行业:

? 形状自由度

一个LED光源是由许多单个LED因此，与其它光源相比，它可以制成更多的形状，更容易根据用户的情况设计光源的形状和尺寸。

? 使用寿命长

照明系统必须保证图像输入能够在相当长的时间内提供稳定的图像输入，才能使图像处理单元得到准确、重复的测量结果。LED连续工作1万至3万小时后，光源亮度下降，但远优于其他类型的光源。此外，使用控制系统间歇性工作可以抑制发光管的加热，延长寿命。

? 响应速度快

LED发光管响应时间很短。响应时间的真正意义是确保多个光源或不同光源区域之间的工作切换，并使用专用控制器LED光源供电时，达到最大照度的时间小于10s

? 颜色多样

除了光源的形状外，稳定图像输入的另一个方面是选择光源的颜色。即使是相同形状的光源，由于颜色的不同，图像也会有很大的不同。事实上，如何利用光源颜色的技术特性获得最佳对比度的图像效果一直是光源开发的主要方向。

? 综合运营成本低

如果选择性能不保证的低成本产品，第一次投资的节约很快就会被日常维护费用抵消。其他光源不仅耗电LED光源的2-10倍，几乎每个月都要更换，浪费了维修工程师的宝贵时间。光源投入使用越多，设备更换和劳动力成本越大，因此选择寿命长LED从长远来看，光源非常经济。

如何选择

? 分析环境要求

1.了解客户对系统结构和运行的要求，确定工业相机、光源和被测物体的空间结构关系。

确定的参数包括：视场(FOV),工作距离(WD)；

2.空间结构有: 直射、侧射、背部照射；

光源-部分环形光源、同轴光源、圆顶光源；

侧射光源-部分环形光源、条形光源、线光源、点光源；

背部照射-方形背光源，条形背光源。

? 物体的表面纹理和颜色分析

1.物体表面是曲面还是平面？物体表面光滑吗？反射强吗？
圆顶光源应用于曲面检测，同轴光源应用于光滑平面，视场光源应用于粗糙平面。

2.物体的透光性如何？
透光性好的物体可以使用IR光源。

3.区分背景(我们不需要检测)是什么颜色，前景(我们需要检测)是什么颜色？
好的光源有很好的对比度——背景和前景非常清晰。

前景色多变
应使用彩色光源和白色光源；

? 选择总结

1.前景与背景需要更大的对比度–考虑使用黑白相机和彩色光源
2.环境光问题–尝试使用单色光源和滤镜
3.闪光曲面–尽量使用散射圆顶光
4.闪光，平坦，但表面粗糙–试着用同轴散射光
5.看表面的形状–考虑使用暗视场(低角度)
6.检测塑料时–尽量使用紫外线或红外线
7.特征需要通过反射表面看到。–尝试使用低角度线光源(暗视场)
8.组合光源有时可以解决问题
9.闪光可以产生比正常照明强20倍的光

如何打光

? 一般目的照明：

环状或点状照明通常用于通用照明。环灯是一种常用的通用照明方法，它很容易安装在镜头上，可以为漫反射表面提供足够的照明。

? 背光照明：

背光照明是将光源放置在相对于相机对象的背面。这种照明方法与其他照明方法非常不同，因为图像分析不是发水光，而是进入光。背光照明产生了强烈的对比度。在应用背光技术时，物体的表面特征可能会丢失。例如，硬币的直径可以通过背光技术来测量，但硬币的正面和背面无法判断。

? 同轴照明：

同轴照明是指与相机轴向相同方向的光照射到物体表面。同轴照明采用特殊的半反射镜反射光源到相机的透镜轴方向。半反射镜只允许垂直于透镜的光源从物体表面反射。同轴照明技术对于实现具有镜面特征的扁平物体表面的均匀照明非常有用。此外，该技术还可以使表面角度变化部分明亮，因为不垂直于相机镜头的表面反射光不会进入镜头，导致表面变暗。连续漫反射照明：连续漫反射照明应用于物体表面的反射或复杂的角度。连续漫反射照明采用半球形均匀照明，以减少阴影和镜面反射。这种照明方法对完全组装的电路板照明非常有用。该光源可达到170立体角度的均匀照明。

? 暗域照明：

暗域照明相对于物体表面提供低角度照明。使用相机拍摄镜子，使其在视野中。如果你能在视野中看到光源，你就会认为它照亮了亮域。相反，在视野中看不到的光源是暗域照明。因此，光源是亮域照明还是暗域照明与光源的位置有关。典型的暗域照明用于照明表面部分突出部分或表面纹理变化。

? 结构光：

结构光是一种投影在物体表面的具有一定几何形状的光（如线性、圆形和正方形）。典型的结构光涉及激光或光纤。结构光可用于测量相机与光源之间的距离。多轴照明：在许多应用程序中，需要多种照明技术，以使视觉下的不同特征具有不同的对比度。

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