机器视觉照明分析标椎

机器视觉照明的实用指南

照明的质量和适当性是创建一个稳健和及时的视力检查的关键方面。要设计一个有效的视觉照明解决方案，您需要对检查环境进行全面的分析，包括样本演示和样本/光交互，以及了解照明类型、技术、几何、过滤、传感器特性和颜色。设计和遵循严格的照明分析序列提供了一个一致和健壮的环境，从而最大限度地利用时间、精力和资源——在视觉系统设计、测试和实现的其他关键方面中更好地使用的项目。

也许视觉系统设计和实现的其他方面一直没有比照明造成更多的延迟、成本过剩和普遍的恐慌。从历史上看，照明通常是指定、开发或资助的最后一个方面，如果有的话。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特定的照明，这意味着照明解决方案通常由标准的白炽灯或荧光消费品组成，有不同数量的环境贡献。

本指南旨在提出一种标准的方法来开发适合样本的照明，而不是深入讨论理论处理。它详细说明了实际框架中的相关方面，并在适用时提供了以下领域的例子：

＊了解照明类型和应用的优缺点、视觉相机和传感器的量子效率和光谱范围、照明技术及其＊相对于表面平面度和表面反射率的应用领域

＊熟悉视觉照明的四个要素：几何形状、图案或结构、波长和滤波器

＊对即时检查环境（物理约束和要求）以及样品/光相互作用的详细分析

＊当您收集和分析了这些区域的信息后，关于特定样本和检查要求，您可以实现机器视觉照明分析的主要目标——一致提供符合三个验收标准的样本适当照明：

机器视觉照明分析的标准

1：最大限度地增强与目标的特征之间的对比；

2：最小化其他地方的亮度

3：稳定可量化的测量

图一

上图.纸箱包装纸上的玻璃纸包装纸显示，左侧满足所有三个验收标准，而右侧仅满足标准一和二。在这种情况下，皱纹并不能排除条形码的良好读取。

视觉照明光源和光谱含量

现在，机器视觉中常用的光源是荧光灯，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，尤其是对于中小型检查站。金属卤化物，氙和高压钠更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）经常用于显微镜检查，因为它具有许多离散的波长峰值，这补充了滤光片用于荧光研究的作用。氙气源对于需要非常亮的频闪灯的应用很有用。图2显示了应用于机器视觉的荧光灯，石英卤素灯和LED照明类型的优缺点以及相关的选择标准。例如，尽管LED照明的预期寿命更长。

图2：觉光源的比较。

历史上，最常使用荧光和石英卤素灯光源。近年来，LED技术在稳定性，强度和成本效益方面得到了改善。但是，对于大面积照明，它仍然不具有成本效益，特别是与荧光灯光源相比。但是，如果应用程序的灵活性，输出稳定性和寿命是重要的参数，则LED照明可能更合适。根据确切的照明要求，通常您可以针对一种特定的实现方式使用不止一种光源类型，并且大多数视觉专家都认为一种光源类型不能充分解决所有照明问题。

不仅要考虑光源的亮度，还要考虑其光谱含量（图3）。例如，在显微镜应用中，通常使用全光谱的石英卤素，氙或汞源，特别是在彩色成像时；然而，随着“全色RGB”和白色LED灯头的出现，单色LED光源也可用于黑白CCD相机，现在也用于彩色应用。

在那些需要高光强度的应用中，例如高速检查，将光源的光谱输出与特定视觉摄像机的光谱灵敏度相匹配可能会很有用（图4）。例如，基于CMOS传感器的摄像机比其电荷耦合器件（CCD）同类摄像机具有更高的IR敏感度，在使用IR LED或富含IR的钨源时，在光线不足的检查设置中具有显着的灵敏度优势。

图3：对强度与光谱含量

图4：感器的绝对量子效率与波长的关系

此外，图3和图4展示了选择照相机和光源时要考虑的其他几个相关点：

尝试使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。

当与窄通滤光片匹配时，诸如单色LED或汞之类的窄波长源有利于通过战略波长。例如，红色660 nm带通滤光片与红色LED灯匹配时，可以有效地阻止车间地面上的环境光从头顶上的荧光灯或水银光源发出。

阳光具有原始强度和宽带光谱含量，使用不透明的外壳可以质疑任何视力检查结果。

即使您的大脑擅长于解释您的眼睛所见，但人类的视觉系统在最终灵敏度和光谱动态范围方面仍然严重不足–让您的眼睛观看由视觉相机获取的图像。

最佳照明解决方案的注意事项

检查环境

在3D空间中充分了解即时检查区域的物理要求和限制至关重要。特别是，根据特定的检查要求，使用机器人取放机器或预先存在但必要的支撑结构可能会通过强制折衷，而不仅限于以下类型，从而严重限制了有效照明解决方案的选择：照明及其几何形状，工作距离，强度和图案。例如，您可能确定需要漫射光源，但由于近距离，自上而下的访问受限而无法应用。在高速线路上进行检查可能需要强烈的连续光或频闪灯以冻结运动，当然，大物体对照明提出了完全不同的挑战。此外，一致的零件放置和表示也很重要，特别是取决于要检查的特征；但是，如果完全理解的话，甚至可以开发出用于零件放置和外观不一致的照明，这是万不得已的方法。

环境光

环境光输入的存在可能对检查的质量和一致性产生巨大影响，特别是在使用白光等多光谱源时。 最常见的环境贡献者是头顶的工厂灯和阳光，但偶尔来自其他检查站或甚至同一工作单元中的其他站点的错误视觉特定任务照明可能会产生影响。

三种用于处理环境光的有效方法：

（1）具有短持续时间脉冲的高功率选通脉冲；

（2）物理外壳；

（3）通过滤波器。采用哪种方法是许多因素的函数，大多数因素将在后面的部分中详细讨论。大功率频闪灯只会淹没并冲刷掉对环境的影响，但在人体工程学，成本和实施工作上却有缺点，而且并非所有光源（例如荧光灯）都可以频闪。如果您不能使用频闪灯，并且如果应用程序要求使用彩色相机，则必须使用多光谱白光才能实现准确的色彩再现和平衡。在这种情况下，狭窄的波长通过滤光片是无效的，因为它将阻止大部分白光贡献，因此，封闭是最佳选择。

图5

图5。 左图显示Nyloc螺母带有紫外线环光，但充满红色660nm“环境”光。 目标是确定尼龙的存在/不存在。 鉴于环境贡献较大，很难从样品中获得相对低产量的蓝色荧光光的足够对比度。 正确的图像具有相同的照明，除了在相机镜头上安装了510nm的短通滤波器，有效地阻挡了红色的“环境”光，并允许蓝色的450nm光通过。

产品/光相互作用

产品的表面如何与特定任务和环境光相互作用，与许多因素有关，包括总表面形状、几何形状和反射率及其组成、地形和颜色。 这些因素的一些组合决定了多少光，以及以什么方式反射到相机，然后可用于采集、处理和测量。 例如，弯曲的镜面，如苏打罐的底部（图6），反射方向光源不同于平面的漫射表面，如复印纸。 同样，地形表面，如填充的PCB，反映与平面但精细纹理或酒窝（图7）表面不同，这取决于光的类型和几何形状。

图6。在左边，苏打水罐的底部被一个明亮的场圈灯照亮，但显示出对比度差，不均匀的照明，和镜面反射。在右边，苏打水可以用漫射光成像，创造一个均匀的背景，这样代码就可以被读取。镜面发射与漫反射的区别。

图7。 左边的pcb BGA钢网焊盘点被亮场环光照亮。 右边用低角度线性暗场光成像。 光模式的简单变化创造了更有效和更健壮的检查，左边是正面正向打光，右边是底部打光，能更好地检测PCB钢网BGA焊点是否正确。打光方式的重要性。

颜色分析

图8-色轮

材料以不同的方式反射和/或吸收各种波长的光，这种效果对黑白和彩色成像空间均有效。像颜色一样反射，表面变亮。相反，相反的颜色会吸收并且表面变暗。使用简单的色轮（暖色和冷色）（图8），您可以在零件及其背景之间产生差异的对比（图9），甚至在给定有限的已知色板，黑色和白色的情况下，可以区分零件。白色相机（图10）。

图9.在（a）红光，（b）绿光，（c）蓝光下成像的邮件邮票，其对比度低于绿色，（d）白光，生成的对比度低于蓝色或绿色。白光会对比所有颜色，但这可能是对比度的折衷。

图10.在（a）白光和彩色CCD相机下，（b）白光和黑白相机，（c）红光下，红色和黄色同时变亮，蓝色变暗，对糖果碎片成像（d ）红色和绿色光，产生黄色，使黄色比红色更亮，（e）绿色，使绿色和蓝色变亮，使红色变暗，（f）蓝色，使蓝色变暗，其他变暗。

补色搭配

在色轮上直线相对的两种颜色称为补色，在上图中，是橙色及蓝色。补色形成强列的对比效果，传达出活力、能量、兴奋等意义。补色要达到最佳的效果，最好是其中一种面积比较小，另一种比较大。比如在一个蓝色的区域里搭配橙色的小圆点。

产品成分和透光率

产品成分会极大地影响光线照明撞击在零件上的情况。有些塑料只能透射某些波长范围的光，否则是不透明的。有些可能不透射光，而是在内部散射光；还有一些可能吸收光只是重新发射相同波长或不同波长（荧光）的光。荧光标签和染料也常用于印刷行业的油墨中（图11）。

图11.左侧的机油瓶被660 nm红色环形灯照亮。在右边，瓶子用360 nm UV荧光灯照亮。

出于多种原因，红外光的属性在视力检查中很有用。首先，红外光可有效消除基于颜色的对比度差异，这主要是因为红外光的反射更多地基于样品成分而不是颜色差异。当想要的对比度（通常基于白光的颜色反射率）较低时，可以使用此属性（请参见图12）。

图12.左侧的光面纸样品处于散射白光下。右边在漫射红外光下。

红外光在穿透聚合物材料方面比短波长（例如紫外线或蓝色，在某些情况下甚至是红色）要有效得多（请参见图13）。相反，正是由于缺乏穿透深度，蓝光才使黑色橡胶化合物的浅表面特征成像或激光蚀刻更加有用。

图13.在填充的PCB中，红色的穿透率为660 nm（左图），红外光为880 nm。请注意，尽管红色从电路板顶部中心的孔中溢出，但IR的穿透性更好。

偏振滤光器成对使用时，一个在光与样品之间，另一个在样品与相机之间，通常通过螺纹固定在镜头上，可用于检测其他透明样品中的结构晶格损伤（图14）。

图14.左侧显示了一个透明的六包装的塑料罐支架，带有红色的背光灯。右侧显示相同的内容，只是添加了一对偏振片，显示了聚合物中的应力场。

特别是当用于阻挡样品上的镜面反射时，任何使用偏振滤光片都会带来固有的折衷。图15中所示的图像展示了专门用于阻挡眩光的偏振滤镜的中等有效和高度有效的使用。在图15a-c所示的样本中，您看到从曲面（例如此个人护理产品瓶）反射的眩光是可以控制的，但不能完全消除（请参见图15b的中心区域）。这是正确的，因为定向光源会在曲面上产生多个反射方向，并且偏振滤镜无法同时阻挡所有振动方向，因此总是使某些区域渐晕。在这种情况下，考虑到灵活性，更有效的眩光控制方法是重新考虑照明几何形状。通过简单地将光从透镜的同轴位置移到相对较高的角度（但在轴外位置），就可以完全消除所有镜面反射。相反，对于图15d-e中所示的相对平坦和平坦的罐顶表面，可以很大程度上去除镜面眩光，从而产生清晰的图像以供检查。但是，使用双偏振器的一个警告是它们可以大大减少允许的光-在罐顶示例中最多可以减少2½f-光圈，这对于高速，光线不足的检查可能是有害的。您可以在很大程度上消除镜面眩光，产生清晰的图像以进行检查。但是，使用双偏振器的一个警告是它们可以大大减少允许的光-在罐顶示例中最多可以减少2½f-光圈，这对于高速，光线不足的检查可能是有害的。您可以在很大程度上消除镜面眩光，产生清晰的图像以进行检查。但是，使用双偏振器的一个警告是它们可以大大减少允许的光-在罐顶示例中最多可以减少2½f-光圈，这对于高速，光线不足的检查可能是有害的。

图15.更改灯光/样本，相机的几何形状或类型可能比应用偏振镜阻止眩光更有效。（a）不带偏光镜的同轴环形光。（b）带偏振器的同轴环形光（注意一些残留的眩光）。（c）无偏光器的离轴（平行于样品长轴的光轴）环形光。（d）不带偏光镜的同轴环形光。（e）带偏振器的同轴环形光（注：2½f挡光圈开口）。

照明技术

照明技术包括背光，漫射（也称为全亮场）照明，亮场（实际上是部分亮场或定向）照明和暗场照明。

图16.背光

背光照明

背光照明可在明亮的背景上创建深色轮廓时产生即时对比度（图16）。最常见的用途是检测是否存在孔和间隙，零件放置或定向或测量物体。如果需要精确的（子像素）边缘检测，通常使用单色光（例如红色，绿色或蓝色）很有用，并且具有光控制偏振。

图17 a。圆顶扩散

漫射（全亮场）照明

漫射或全明场照明最常用于需要均匀甚至多向光的发亮镜面反射或混合反射率样本。通常可以使用漫射照明的几种实现方式，但是有三种主要类型（图17a–c），其中半球形的圆顶/圆柱体或同轴是最常见的类型。

图17 b。同轴扩散

漫射球顶灯可以有效地照明弯曲的镜面表面，例如在汽车行业中常见的。同轴光以类似的方式用于平坦的样品，并且在增强相对平坦的对象上的角度，纹理或地形特征方面特别有效。为了有效，散射光，尤其是圆顶灯，需要靠近样品。

图17 c。平面扩散

轴向漫射照明的一个有用特性是，在这种情况下，如果可以将眩光单独隔离以唯一地定义一致且连续的所需特征，那么实际上可以利用眩光，而不是拒绝或避免镜面眩光。坚固的检查。

部分明场或定向照明

部分明场照明是最常用的视觉照明技术，并且是每天使用的最熟悉的照明，包括日光。这种类型的照明与全亮场的区别在于它是定向的，通常是从点光源发出的，并且由于其定向特性，它是生成对比度和增强地形细节的理想选择。它的效果要差得多，但是当与镜面表面同轴使用时，会产生熟悉的“热点”反射。

图19.暗场照明

暗场照明

尽管您确实在日常生活中使用了这些技术，但在所有这些技术中，对暗场照明的了解最少。例如，汽车前灯的使用依赖于以小角度入射在路面上的光，这些光从小的表面缺陷以及附近的物体反射回来。暗场照明可以细分为圆形和线性或定向类型，前者需要特定的灯头几何设计。这种类型的照明的特征是入射角低或中等，通常需要紧密接近，尤其是对于圆形灯头品种（图19）。

明场与暗场

下图说明了镜像表面上的圆形定向（部分亮场）和圆形暗场灯在实现方式和结果上的差异。

图20 a。镜子的明场图像                   图20 b。镜子的暗场图像

暗场照明的有效应用依赖于这样一个事实，入射到镜面的许多光会以远离而不是朝向相机的方式反射，否则会由于热点眩光而淹没场景。反射回相机的光线相对较少，恰好抓住了表面上小特征的边缘，满足了“反射角等于入射角”等式（另请参见图21）。

图21.左侧的花生脆袋位于明亮的环形照明灯下。在右侧，它处于暗场环形灯下-注意接缝非常明显。

应用领域

图22根据两个最普遍的总表面特征说明了不同照明技术的潜在应用领域：

（1）表面平整度和纹理。

（2）表面反射率。

该图绘制了表面反射率，分为三类（遮罩，镜面和混合）与表面平整度和纹理或形貌。在图表上向右和向下移动时，需要更专业的照明几何形状和结构化的照明类型。

可以预期，“几何无关区域”表示相对平坦且漫射的表面不需要特定的照明，但是只要满足所有其他必要条件（例如工作距离，可见性，亮度和投影图案）。

图22.照明技术的应用领域：表面形状与表面反射率的详细信息

照明分析顺序

以下照明分析序列假定您具有照明类型，相机灵敏度和光学方面的工作知识，并熟悉照明技术和视觉照明的四个要素。您可以将其用作检查清单，但这绝不是全面的。但是，它确实为标准化的方法提供了良好的工作基础，您可以根据检查的要求修改和/或扩展该方法。

1：检查物理环境

（1）产品的限制

在3D空间（工作空间）中选型相机，镜头和照明

工作容积的大小和形状

最小和最大摄像头，照明工作距离和视野

（2）：零件特性

样品是静止的，移动的还是分度的？

如果移动或分度，速度，进给和预期的循环时间？

预期的脉冲率，接通时间和占空比？

有连续振动或冲击振动吗？

零件的方向和位置是否一致？

有可能造成环境光污染吗？

（3）：人机工程学与安全性

人与人之间互动的环环相扣吗？

与频闪或强光照明应用有关的安全性吗？

2样品/光相互作用

（1）样品表面

＊反射率-漫反射，镜面反射或混合反射？

＊整体几何形状-平坦，弯曲还是混合？

＊纹理-光滑，抛光，粗糙，不规则，多个？

＊地形-平坦，多高程，多角度？

＊需要光强度吗？

（2）成分和颜色

＊金属，非金属，混合聚合物？

＊零件颜色与背景颜色

＊透明，半透明或不透明-红外透射？

＊紫外线染料还是荧光聚合物？

（3）轻度光线污染

＊来自头顶照明或操作员站照明的环境影响？

＊来自另一个检查站的光污染？

＊来自同一检查站的光污染？

3目标特征

4应用照明的四个要素

（1）光线-相机 样本的几何形状问题

（2）灯光图案问题

（3）样品和背景之间的颜色差异

（4）适用于短，长或带通应用（包括极化）的滤波器

5照明技术与照明类型

（1）荧光灯与石英卤素灯，LED与其他

（2）明场，暗场，漫反射或背光

（3）视觉相机和传感器的量子效率和光谱范围

概括

如此深入的分析可以而且经常确实会导致看似矛盾的方向，因此必须做出折衷。例如，详细的样品/光交互分析可能指向暗场照明技术的使用，但检查环境分析表明光必须远离零件。在这种情况下，面向暗场配置的更强的线性条形灯可以创建所需的对比度，但可能需要更多的图像后处理。

无论分析和理解的水平如何，通常没有什么替代方法可以首先在工作台上实际测试两种或三种光源类型和技术，然后在可能的情况下在实际车间实施测试。并且从头开始设计视觉检查和零件处理/展示时，最好首先准备好照明解决方案，然后围绕照明要求构建其余的检查。

此详细分析和应用可能称为照明类型，技术，技巧和窍门的“工具箱”的目的是帮助您获得一种最佳的照明解决方案，该解决方案应考虑并平衡人机工程学，成本，效率和一致的应用程序。这可以帮助您更好地指导您的时间，精力和资源-更好地用于视觉系统设计，测试和实施的其他关键方面的项目。