机械视觉光源选型

      光源是机器视觉系统的重要组成部分，直接影响到图像的质量，进而影响到系统的性

能。在一定程度上，光源的设计与选择是机器视觉系统成败的关键。光源最重要的功能就

是使被观察的图像特征与被忽略的图像特征之间产生最大的对比度，从而易于对特征的区

分。选择合适的光源不仅能够提高系统的精度和效率，也能降低系统的复杂性和对图像处

理算法的需求。

一，衡量光源的好坏

     光源的好坏需从以下几个方面衡量：

     1，对比度

     对比度对机器视觉来说非常重要。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。好的照明应保证需要检测的特征突出于其他背景。

     2，亮度

     当有两种光源，应选择更亮的光源。当光源较暗，可能出现三种不利于观测的情况。第一，由于光源较暗，所以图像的对比度较低，在图像上出现噪声的可能性也随即增大；第二，由于光源较暗，所以需加大光圈，导致景深减小；第三，光源较暗会导致自然光等随机光对系统的影响增大。

     3，鲁棒性

     另一个辨别光源好坏的方法是测试光源是否对部件的位置敏感度最小。当光源放在摄像头视野的不同区域或不同角度时，结果图像应不随之变化。对于方向性很强的光源，以上方法增大了高亮区域镜面反射发生的可能性，这不利于特征提取。在很多情况下，好的光源在实际工作中与在实验室中应有相同的效果。好的光源能使寻找的特征明显化，除了使摄像头能够拍摄到物体外，还能产生最大的对比度和足够的亮度，且对物体的位置变化不敏感。

二，光源的控制

     物体表面的几何形状、光泽度及颜色决定了光在物体表面的反射情况。机器视觉应用光源控制的核心是控制光源反射。如果可以控制光源的反射，那么也可以控制获得的图像。影响反射效果的因素有光源的位置、物体表面的光滑度、物体表面的几何形状及光源的均匀性。

1，光源的位置

     由于光源按照入射光线反射，因此光源的位置对获取高对比度的图像很重要。光源的目标是使感兴趣的特征与其背景对光源的反射不同。根据光源在物体表面的反射情况，可以判断出光源的位置。

2，物体表面的光滑度

     光在物体表面可能发生高度反射（镜面反射）或者高度漫反射。决定镜面反射还是漫反射的主要因素是物体表面的光滑度。

3，物体表面的几何形状

     不同形状的物体表面，反射光的方式不尽相同。物体表面的形状越复杂，其表面的反射情况也随之而复杂。比如对于一个抛光的镜面表面，光源需要在不同的角度照射，以此来减小光影。

4，光源的均匀性

     不均匀的光会发生不均匀的反射。简单地说，图像中暗的区域表示缺少反射光，而亮的区域表示反射光太强。不均匀的光会使视野范围内某些区域的光比其他区域多，从而造成物体表面反射不均匀。均匀的光源可以补偿物体表面的角度变化，即使物体表面的几何形状不同，光源在各部分的反射也是均匀的。

三，光源的种类

常用的光源有以下分类方式：

1，按发光机理分类

     常用的光源，按发光机理分，可分为卤素灯（光纤光源）、高频荧光灯和 LED 光源。

(1），卤素灯

     卤素灯也叫光纤光源，因为光线是通过光纤传输的。卤素灯适合小范围的高亮度照明，其真正发光的是卤素灯泡，功率可达100多瓦。高亮度卤素灯可通过光学反射和一个专门的透镜系统进一步聚焦，从而提高光源亮度。它适合对环境温度比较敏感的场合，如二次元测量仪的照明；但缺点是寿命短，只有2000小时左右。

(2）高频荧光灯。

     高频荧光灯的发光原理和日光灯类似，但是其灯管是工业级产品，并且采用高频电源，即光源闪烁的频率远高于相机采集图像的频率，以消除图像的闪烁。高频荧光灯适合大面积照明，亮度高且成本较低。

(3) LED 光源。

     LED 光源是目前最常用的光源，主要有以下几个特点：

     ①使用寿命长，大约为10000~30000小时。

     ②由于 LED 光源采用多个 LED 排列而成，故可以设计成复杂的结构，以实现不同的光源照射角度。

     ③有多种颜色可选，包括红、绿、蓝、白以及红外、紫外。针对不同检测物体的表面特征和材质，可选用不同颜色，即不同波长的光源，从而达到理想效果。

     ④光均匀稳定并且响应速度快。

2，按形状分类

     常用的光源按形状分，主要有环形光源、背光源、条形光源、同轴光源、 AOI 专用光源、球积分光源、线形光源、点光源、组合条形光源、对位光源。

     1）环形光源。

     环形光源有以下特点：

     ①提供不同照射角度、不同颜色的组合，更能突出物体的三维信息。

     ②有高密度 LED 阵列，所以亮度高。

     ③有多种紧凑设计，节省安装空间。

     ④可解决对角照射阴影问题。

     ⑤可选配漫射板导光，光线均匀扩散。

     环形光源的应用领域包括 PCB 基板检测、 IC 元件检测、显微镜照明、液晶校正、塑胶容器检测、集成电路印字检查。如图所示为常见的环形光源。

2）背光源。

     背光源指用高密度 LED 阵列面提供高强度背光照明，可突出物体的外形轮廓特征，尤其适合作为显微镜的载物台。背光源分为红白两用背光源和红蓝多用背光源，能调配出不同颜色，满足不同被测物体的多色要求。背光源的应用领域包括机械零件尺寸的测量、电子元件及 IC 元件的外形检测、胶片污点检测、透明物体划痕检 等。如图所示为常见的背光源

3）条形光源。

条形光源是较大的方形被测物体的首选光源，条形光源有以下特点：

①颜色可根据需求自由组合。

②照射角度与安装可随意调节。条形光源的应用领域包括金属表面检查、图像扫描、表面裂缝检测、 LCD 面板检测等。如图所示为常见的条形光源。

4）同轴光源。

     同轴光源可以消除物体表面不平整引起的阴影，从而减少干扰；部分同轴光源采用分光镜设计，以减少光损失并提高成像清晰度。同轴光源适用于反射度极高的物体（如金属、玻璃、胶片、晶片等）表面的划伤检测、芯片和硅晶片的破损检测、 Mark 点定位及包装条码识别。如图所示为常见的同轴光源。

 

5) AOI 专用光源。

     AOI 专用光源有以下特点：

     ①可对不同角度进行三色光照明，照射凸显焊锡三维信息。

     ②可外加漫射板导光，以减少反光。

     ③可选用不同角度进行组合。

 AOI 专用光源主要用于电路板焊锡检测。图所示为常见的 AOI 专用光源。

6）球积分光源。

     球积分光源具有积分效果的半球面内壁，可均匀反射从底部各个角度发射出的光线，使整个图像的照射十分均匀。球积分光源适合于曲面、表面凹凸、弧形表面的检测和金属、玻璃等反光较强的物体表面检测。图所示为常见的球积分光源。

7）线形光源。

     线形光源具有超高亮度，采用柱面透镜聚光，适用于各种流水线连续检测的场合。线形光源的应用领域包括线阵相机照明专用、 AOI 专用。图为常见的线形光源。

8）点光源。

     点光源有以下特点：

     ①使用大功率 LED ，体积小，发光强度高。

     ②是卤素灯的替代品，尤其适合作为镜头的同轴光源等。

     ③具有高效散热装置，大大提高光源的使用寿命。

    点光源适合与远心镜头配合使用，也可用于芯片检测、 Mark 点定位、晶片及液晶玻璃底基校正。图为常见的点光源。

 

9）组合条形光源。

     组合条形光源有以下特点：

     ①四边可配置条形光，每边照明独立可控。

     ②可根据被测物要求调整所需照明角度，适用性广。组合条形光源的应用范围包括 PCB 基板检测、 IC 元件检测、焊锡检查、 Mark 点定位、显微镜照明、包装条码照明及球形物体照明等。图为常见的组合条形光源。

10）对位光源。

     对位光源有以下特点：

     ①对位速度快。

     ②视场大。

     ③精度高。

     ④体积小，便于检测集成。

     ⑤亮度高，可选配辅助环形光源。应用领域： VA 系列光源是全自动电路板印刷机对位的专用光源。图为常见的对位光源。

 

四．光源的照明方式

     控制和调节光源的入射方向是机器视觉系统设计最基本的参数。光源的人射方向取决于光源的类型和相对于物体放置的位置。一般来说有两种最基本的方式：直射光和漫射光，所有其他的方式都是从这两种方式中延伸出来的。

     (1）直射光：入射光基本上来自一个方向，人射角小，能投射出物体阴影。

     (2）漫射光，人射光来自多个方向，甚至所有的方向，不会投射出明显的阴影以下是机器视

觉中常见的几种照明方式。

1） 直接照明

     直接照明是指光直接射向物体，得到清晰的影像，如图所示。直接照明适用于得到高对比度的图像。若直接照在光亮或者反射的材料上，则会引起像镜面的反光。直接照明一般采用环形光源或点光源。环形光源是一种常用的照明方式，易安装在镜头上，可为漫反射表面提供充足的照明。

2）暗场照明

      暗场照明为物体表面提供低角度照明，如图所示。

     使用相机拍摄镜子，使其在相机的视野内，如果在视野内能看见光源，则为亮场照明，反之为暗场照明。因此，光源是亮场照明还是暗场照明取决于光源的位置。典型的暗场照明应用于表面部分有突起或有纹理变化的照明。

 

3）背光照明。

     背光照明指从物体背面射过来均匀视场的光，如图所示。

背光照明常用于测量物体的尺寸和确定物体的方向。背光照明可以产生很强的对比度，通过相机可以看到物面的侧面轮廓。应用背光照明技术时，物体表面特征可能会丢失。例如，可以应用背光照明技术测量硬币的直径，但是却无法判断硬币的正反面。

4）连续漫反射照明。

     连续漫反射照明适用于物体表面有反射或者表面角度复杂的情

况，如图所示。

     连续漫反射照明应用半球形的均匀照明，以减少影子及镜面反射。这种照明方式可用于完全组装的电路板照明，可以达到170°立体角范围的均匀照明。

5）同轴照明

     同轴光的形成过程：通过垂直墙壁的发散光，照射到一个使光向下的分光镜上，相机从上方通过分光镜看物体，如图所示。

     同轴照明适用于检测高反射率的物体，也适用于受周围环境阴影的影响、检测面积不明显的物体。

     除了以上几种常用照明方式外，还有在特殊场合所使用的其他照明方式，比如在线阵相机中使用的亮度集中的条形光照明、在精密尺寸测量中与远心镜头配合使用的平行光照明、在高速在线测量中为减小被测物模糊而使用的频闪光照明、可以主动测量相机到光源的距离的结构光照明和可减少杂光干扰的偏振光照明等。

此外，很多复杂的被测环境需要两种或两种以上照明方式共同配合完成。因此，丰富的照明方式可以解决视觉系统中图像获取的很多问题，光源照明方式的选择对视觉系统的成功至关重要。

5．光源的选型

光源的选型过程大致如下：

(1）了解项目需求，明确要检测或者测量的目标。

(2）分析目标与背景的区别，找出两者之间的光学现象。

(3）根据光源与目标之间的配合关系以及物体的材质，初步确定光源的发光类型和光源颜色。

(4）用实际光源测试，以确定满足要求的照明方式。