如何选择视觉光源

秋水伊人

   

     视觉光源是机器视觉系统中不可或缺的一部分，它的选择直接影响输入数据的质量和应用效果。由于没有通用的机器视觉照明设备，所以针对每个特定的应用实例，要选择相应的照明装置，以达到最理想的应用效果。


    许多工业用的机器视觉系统用可见光作为光源，这主要是因为可见光容易获得，价格低，并且便于操作。常用的几种可见光源是白帜灯、日光灯、水银灯和钠光灯。但是，这些光源不稳定。会受到各种因素的影响，使得光能不断下降。因此，如何使光能在一定的程度上保持稳定，是使用过程中急需要解决的问题。在现今的工业应用中，对于某些要求高的检测任务，常采用ｘ射线、超声波等不可见光作为光源。 但是在一般的应用中，首选LED机器视觉光源。


    下面简单介绍一下LED机器视觉光源的使用性能优势。
    一、LED机器视觉光源的特点 ：
    1、使用寿命长，一万到三万小时左右，大大高于其它照明系统，如使用开关控制间歇使用可抑制温度升高，LED寿命更长。。
    2、LED光源据有灵活的外形设计，它是由很多个LED颗粒摆列组成，可以根据具体使用环境，组成不同形状不同角度的光源。与其它照明系统相比在照射范围、照射角度和平行度等设计方面具有强大的自由，以满足多样化的需求。
    3、颜色可选，LED颗粒有不同的颜色不同的波长，用户可以根据检测对象的特征选用不同波长的光源，以突出检测特征从而达到理想的效果。
    4、稳定性好，LED光源相对其他光源来说，稳定性大大增强，更加有利于为系统提供高品质的图像。
    5、反应速度快，当图像采集需多个光源相互切换时LED的快速响应就体现出来了，LED可在10微秒达到最大亮度。
    6、运行成本低，一个视觉系统或设备其日常运行及维护是非常重要，其它的照明光源不仅要耗费LED数倍的电量且有时每个月都需更换光源，耗时耗财，因此安装使用LED照明系统将会在成本及性能方面也体现出它的优势。


    二、LED光源的照明方式
    由光源构成的照明系统按其照射方法可分为：背向照明、前向照明、结构光和频闪光照明等。
    其中，背向照明是被测物放在光源和相机之间，它的优点是能获得高对比度的图像，LED面光源和平行光源是这样使用的，常用来突出产品的轮廓，比如工件的尺寸测量就是使用这种方法。
    前向照明是光源和相机位于被测物的同侧，这种方式便于安装，比如条形光源，同轴光源，环形光源，圆顶光源，线光源等都是使用这样的用法，这是最常用的照明方式。
    结构光照明是将光栅或线光源等投射到被测物上，根据它们产生的畸变，解调出被测物的三维信息，这种方式比较少见。
    频闪光照明是将高频率的光脉冲照射到物体上，要求相机的扫描速度与光源的频闪速度同步，目前频闪照明方式一般都用光源的控制器控制光源达到频闪的功能，频闪的工作方式可以大大提高光源的亮度和寿命，几乎所有的LED光源都可以使用频闪照明方式。


    三、LED光源的性能
    在实际运用中，目的就只有一个：提高光源的寿命并为图像采集机构提供稳定的高对比度的图像。评价一个光源的好坏一般来说，要从对比度、亮度、均匀性、稳定性、寿命等方面来考虑：
    1、对比度
    对比度对机器视觉来说非常重要，对比度只就打光效果而言，这很大程度取决于光源和被检测产品部位的波长。机器视觉光源最重要的任务就是使需要被观察的特征与需要被忽略的图像特征之间产生最大的对比度，从而易于软件的判断和区分。
    2、亮度
    当选择两种光源的时候，最佳的选择是选择更亮的那个。光源的亮度不够，必然要加大光圈，从而减小了景深 。亮度不够时，环境光对系统的影响就会很大，一个良好的光源的亮度必须远远大于环境光（比如灯光，阳光等），这样就保证环境光变化时对系统的影响不大，能保证系统的稳定性。
    3、均匀性
    均匀性是光源一个很中要的技术参数。均匀性好的光源使系统工作稳定 。均匀性良好的光源，能保证工件的检测部分的图像灰度级别基本一致，这样更加有利于软件分析，降低误判的风险。不均匀的光会造成不均匀的反射。简单的说，图像中暗的区域就是缺少反射光，而亮点就是此处反射太强了。不均匀的光会使视野范围内部分区域的光比其他区域多。从而造成物体表面反射不均匀（假设物体表面的对光的反射是相同的）。均匀的光源会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。
    4、寿命
    光源的亮度不易衰减过快，这样会影响系统的稳定，增加维护的成本 。发热量大的灯亮度衰减快，当亮度衰减到一定程度时，为了系统的稳定性就得更换光源。因此光源的寿命与光源的工作温度和光源本身的温度有很大的关系。散热设计是光源设计的一个重要的内容之一。
    选用择合适光源应该考虑的因素 ：
    1、波长
    既然光源的主要工作是为图像采集机构提供稳定的高对比度的图像。因此如何依靠光源增强被检测部分的图像对比度是我们的主要工作。一般来说，光源的选用原则是：使用相同颜色的光或相近颜色的光源照射可以使被照射部分变亮；使用相反颜色的光或相近颜色的光源照射可以使被照射部分变暗。其理论依据就是，光源的波长和检测物体的波长越相近时，光源就越能增强物体图像的对比度。
    不同的波长，对物质的穿透力(穿透率)不同，波长越长，对物体的穿透力愈强，波长越短，对物质表面的扩散率愈大。
    2、效率
    有些光源效率很高，相对于能量的消耗，其散发出更加多的光能，例如荧光灯。而钨灯，产生相当多的热量，能量消耗也很大。效率不高的光源产生局部过热，浪费很多。一般，光源的温度越高，其寿命就会缩短，其消耗的能量就相对较高。
    3、形状
    一般而言，什么形状的物体选用什么形状的光源。可以遵循以下原则：闪光曲面，考虑用散射圆顶光；闪光，平的，但粗糙的表面，尝试用同轴散射光； 看表面的形状，考虑用暗视场(低角度)；检测塑料的时候，尝试用紫外或红外光； 需要通过反射的表面看特征，尝试用低角度线光源(暗视场)；单个光源不能有效解决问题时考虑用组合光源；频闪能够产生比常亮照明20倍强的光。


    机器视觉应用关心的是反射光（除非使用背光）。物体表面的几何形状、光泽及颜色决定了光在物体表面如何反射。机器视觉应用的光源控制的诀窍归结到一点就是如何控制光源反射。如何能够控制好光源的反射，那么获得的图像就可以控制了。因此，在机器视觉应用中，当光源入射到给定物体表面的时候，光源最重要的方面就是要控制好光源及其反映。
    1、光源可预测
    当光源入射到物体表面的时候，光源的反映是可以预测的。光源可能被吸收或被反射。光可能被完全吸收（黑金属材料，表面难以照亮）或者被部分吸收（造成了颜色的变化及亮度的不同）。不被吸收的光就会被反射，入射光的角度等于反射光的角度，这个科学的定律大大简化了机器视觉光源，因为理想的想定的效果可以通过控制光源而实现。
    2、物体表面
    如使机器视觉照明复杂化的是物体表面的变化造成的。如果所有物体表面是相同的，在解决实际应用的时候就没有必要采用不同的光源技术了。但由于物体表面的不同，因此需要观察视野中的物体表面，并分析光源入射的反映。
    3、控制反射
    如果反射光可以控制，图像就可以控制。在涉及机器视觉应用的光源设计时，最重要的原则就是控制好哪里的光源反射到透镜及反射的程度。机器视觉的光源设计就是对反射的研究。在视觉应用中，当观测一个物体以决定需要什么样的光源的时候，首先要弄清楚如何才能让物体显现？我如何才能应用光源使必须的光反射到镜头中以获得物体外表？


    那么影响反射效果的因素有有哪些呢？总的来说有？光源的位置，物体表面的纹理，物体表面的几何形状及光源的均匀性。
    1、光源的位置：既然光源按照入射角反射，因此光源的位置对获取高对比度的图像很重要。光源的目标是要达到使感兴趣的特征与其周围的背景对光源的反射不同。预测光源如何在物体表面反射就可以决定出光源的位置。
    2、表面纹理：物体表面可能高度反射（镜面反射）或者高度漫反射。决定物体是镜面反射还是漫反射的主要因素是物体表面的光滑度。一个漫反射的表面，如一张不光滑的纸张，有着复杂的表面角度，用显微镜观看的时候显得很明亮，这是由于物体表面角度的变化而造成了光源照射到物体表面而被分散开了。而一张光滑的的纸张有光滑的表面而减小了物体表面的角度。光源照射到光源的表面并按照入射角反射。
    3、表面形状：一个球形表面反射光源的方式与平面物体不近相同。物体表面的形状越复杂，其表面的光源变化也随之而复杂。对应一个抛光的镜面表面，光源需要在不同的角度照射。从不同角度照射可以减小光影。获取更多机器视觉技术资料及相关产品信息，敬请登录石鑫华视觉http://shixinhua.com