照明的质量和适宜性是创建一个强大和及时的视觉检查的关键方面。 为了设计一个有效的视觉照明解决方案，除了了解照明类型，技术，几何形状，滤波，传感器特性和颜色之外，还需要对检测环境进行全面的分析，包括样品表现和样品/光线的相互作用。 设计并遵循严格的照明分析序列提供了一致和强大的环境，从而最大限度地利用时间，精力和资源 – 在视觉系统设计，测试和实施的其他关键方面得到更好的使用。 本教程演示了机器视觉照明的概念和理论。
目录
1. 介绍
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. 应用领域
7. 照明分析的顺序
8. 概要
9.相关链接
1.介绍
也许视觉系统设计和实现的其他方面一直造成比照明更多的延迟，成本超支和普遍的恐慌。 从历史上看，照明往往是指定，开发或资助的最后一个方面。 这种方法并不完全没有根据，因为直到最近，市场上还没有真正的视觉专用照明，这意味着照明解决方案通常由标准白炽灯或荧光消费产品组成，具有不同的环境贡献量。
本指南旨在提出开发适合样本的照明的标准方法，而不是纠缠于理论处理。 它在实际框架中详细介绍了相关方面，并在适用情况下从以下方面举例说明：
① 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，照明技术及其应用领域相对于表面平坦度和表面反射率
② 熟悉视觉照明的四个基石：几何，图案或结构，波长和滤镜
③ 对即时检测环境（物理约束和要求）的详细分析和针对您独特样品的样品/光线相互作用
当您积累并分析了这些领域的信息后，就具体的样品和检测要求而言，您可以实现机器视觉照明分析的主要目标 – 提供符合三个接受标准的样本适当照明：
① 最大限度地利用这些功能的对比
② 尽量减少其他地方的对比度
③提供一个健壮的措施
每个检查都是不同的，例如，只有在部件尺寸，形状，方向，位置或环境变量（如环境光线贡献度）不存在不一致的情况下，符合接受标准1和2的照明解决方案才有效（见图1）。
图1.便签纸包装上的玻璃纸包装纸显示左侧符合所有三个验收标准，而右侧只符合标准一和二。 在这种情况下，皱纹不排除一个良好的条形码阅读。 但是，如果皱纹在下一包装上的不同位置呢？
2.视觉照明源和光谱内容
机器视觉中常用的照明光源是荧光灯，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，特别是对于中小型检测站。 金属卤化物，氙气和高压钠更典型地用于大规模应用或需要非常明亮光源的区域。 金属卤化物，也被称为汞，经常用于显微镜，因为它有许多离散的波长峰，这补充了荧光研究的过滤器的使用。 氙气灯对于需要非常亮的频闪灯的应用非常有用。 图2显示了应用于机器视觉的荧光灯，石英卤素灯和LED照明类型以及相关选择标准的优缺点。 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.普通视觉照明光源的比较
从历史上看，荧光灯和石英卤素灯光源已被广泛使用。 近年来，LED技术的稳定性，强度和成本效益都有所提高， 然而，对于大面积照明，特别是与荧光光源相比，它仍然不具有成本效益。 但是，如果应用灵活性，输出稳定性和寿命是重要的参数，那么LED照明可能更合适。 根据具体的照明要求，通常情况下，您可以为特定的实施使用多种光源类型，大多数视觉专家认为，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，还要考虑光谱的内容（图3）。 例如，显微镜应用通常使用全谱石英卤素灯，氙灯或汞灯，尤其是在彩色成像时; 然而，随着“全彩RGB”和白光LED灯头的出现，单色LED光源对于黑白CCD照相机也是有用的，现在也用于彩色应用。
在需要高光强度的应用中，如高速检测，将光源的光谱输出与特定视觉相机的光谱灵敏度相匹配可能是有用的（图4）。 例如，基于CMOS传感器的相机比其电荷耦合器件（CCD）相对更具红外灵敏度，在使用红外LED或富含红外钨的光源时，在光源不足的检测设置中具有显着的灵敏度优势。
图3.光源相对强度与光谱内容（底部的条表示近似的人类可见光波长范围）
图4.相机传感器绝对量子效率与波长（底部的条表示近似的人类可见波长范围）
另外，图3和图4示出了在选择照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相匹配，以充分利用其输出。
②当与窄通滤波器匹配时，窄波长源（如单色LED或汞）有利于通过战略波长。 例如，与红色LED灯相匹配的红色660 nm带通滤光片可有效阻止来自高架荧光灯或汞源的工厂地板上的环境光线。
③阳光具有原始强度和宽带光谱含量，以引起任何视觉检查结果的质疑 – 使用不透明的房屋。
④ 即使你的头脑擅长解释你的眼睛看到的东西，人类的视觉系统在极限灵敏度和光谱动态范围方面远远不够 – 让你的眼睛看到用视觉相机获得的图像。
3.视觉照明的基石
视觉照明的四个基石是：
①几何 – 样本，光照和相机之间的三维空间关系
② 结构或图案 – 投射到样品上的光的形状
③ 波长或颜色 – 光线如何被样品及其直接背景差异反射或吸收
④滤波器 – 差分阻塞和通过波长和/或光的方向
了解如何使用四个基石来操纵和提高样本对比度，对于满足评估照明质量和鲁棒性的三个验收标准至关重要。 通过几何体影响对比度变化涉及移动样本，光线和/或相机位置，直到找到合适的配置。 例如，同轴环形灯（一个安装在相机周围）可能在半反射条码表面上产生热点眩光，但是通过简单地离轴移动光线，热点眩光也移出照相机的视野。 通过结构或投射到样品上的光的形状，对比度变化通常是光头或照明技术特定的（参见本系列第2部分中的照明技术部分）。 通过颜色照明的对比度变化与差异颜色吸光度对反射率有关（参见样品/光线相互作用）。
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/光照相互作用
考虑来自这些评估的所有信息，以及可用的光学，照明类型，技术和四个基石，以开发符合三个验收标准的适合样本的照明解决方案。
即时检查环境
充分了解立即检查区域在3D空间中的物理要求和限制至关重要。 特别地，取决于特定的检查要求，使用机器人拾放机器或预先存在的但是必要的支撑结构可能严重地限制了有效照明解决方案的选择，通过强制折衷不仅限于照明，还有其几何形状，工作距离，强度和图案。 例如，您可以确定需要使用漫射光源，但由于自上而下的特写有限，因此无法应用。 对高速线路的检查可能需要强烈的连续光线或闪光灯来冻结运动，当然，大的物体对于照明来说也是完全不同的挑战。 另外，一致的部件放置和展示也是重要的，特别是取决于正在检查的特征。 然而，即使照明部分放置和展示不一致，也可以作为最后的手段，如果完全理解。
环境光贡献
环境光输入的存在会对检查的质量和一致性产生巨大影响，特别是在使用多光谱光源如白光的情况下。 最常见的环境影响因素是高架工厂照明和阳光照射，但偶尔会有其他检测站甚至同一工作单元的其他工作站的视觉特定任务照明产生影响。
有三种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，（2）物理外壳，以及（3）通过滤波器。 应用哪种方法是许多因素的函数，其中大部分将在后面的章节中详细讨论。 大功率选通只是压倒了环境的贡献，但是在人体工程学，成本和实施方面却有缺点，而且并不是所有的荧光灯都可以被频闪。 如果您不能使用选通，并且如果应用程序要求使用彩色照相机，则多光谱白光对于精确的色彩还原和平衡是必需的。 在这种情况下，窄波长的通过滤波器是无效的，因为它会阻挡大部分的白光贡献，因此外壳是最好的选择。
但是，这个一般规则也有例外。 例如，一个700纳米的短路滤波器，也称为IR阻断器，是彩色摄像机的标准配置，因为红外成分会改变颜色的准确性和平衡性，特别是绿色通道。 图5说明了如何使用通过滤光片可以非常有效地阻挡环境光，特别是当感兴趣的光是低产量荧光时。
图5.左图显示的是带有紫外环光的nyloc螺母，但充满了660 nm的“环境光”。 目标是确定尼龙的存在/不存在。 由于周围环境的贡献很大，很难从样品的相对低产量的蓝色荧光灯中获得足够的对比度。 正确的图像具有相同的光照，除了相机镜头上安装了510纳米的短通滤波器，可以有效地阻挡红色“环境”光线，并允许蓝色450纳米光线通过。
样品/光线相互作用
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，几何形状和反射率以及其组成，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射到相机，并随后可用于采集，处理和测量。 例如，一个曲面镜面（如苏打水罐的底部）（图6）反射一个定向光源，与平面漫反射表面（如复印纸）不同。 类似地，取决于光的类型和几何形状，诸如填充PCB的地形表面不同于平坦但具有细纹理或凹坑（图7）的表面。
图6.在左侧，汽水罐的底部用明亮的环形灯照亮，但显示出差的对比度，不均匀的光照和镜面反射。 在右边，苏打水可以用漫射光成像，创造一个平坦的背景，所以代码可以被读取。
图7.左侧的二维点阵矩阵码由明场环形光照亮。 右侧用低角度线性暗场光成像。 光线模式的简单改变创造了一个更加有效和强大的检查。
颜色分析
图8 – 色轮
材料反射和/或吸收不同波长的光，这种效应对黑白和彩色成像空间都是有效的。 喜欢颜色反射和表面是明亮的; 相反，相反的颜色吸收和表面变暗。 使用暖色与冷色的简单色轮（图8），您可以在零件与其背景之间产生差异对比（图9），甚至在有限的已知调色板上区分颜色部分，白色相机（图10）。
图9.在（a）红光，（b）绿光，（c）蓝光下产生的邮件图像，产生的对比度比绿色低，（d）白光，对比度比蓝色或绿色少。 白光对比所有颜色，但可能是对比度的妥协。
图10.糖果碎片在（a）白光和彩色CCD照相机，（b）白光和黑白照相机，（c）红光下照亮，使红色和黄色都变亮并使蓝色变暗，（d ）红光和绿光，产生黄色，比黄光更亮，（e）绿光，绿光和蓝光，使红光变暗，（f）蓝光，使蓝光变亮，使其他光线变暗。
样品成分和透光率
样本组成可以极大地影响任务照明撞击在零件上发生的情况。 一些塑料可能只透过某些波长范围的光线，否则是不透明的; 有些可能不会透射，而是内部漫射光线; 还有一些可能会吸收光线，只能以相同的波长或不同的波长（荧光）重新发射。 荧光标签和染料也常用于印刷行业的油墨（图11）。
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