概述

選擇合適的打光方案是機(jī)器視覺檢測案例成敗的關(guān)鍵。要設(shè)計有效的視覺照明解決方案，您需要對檢測物品進(jìn)行徹底的分析，包括樣品展示和樣品/照明之間的相互作用。

設(shè)計并遵循嚴(yán)格的照明分析順序，可提供一致且穩(wěn)健的環(huán)境，從而最大限度地節(jié)省時間、精力和資源，更好地用于視覺系統(tǒng)設(shè)計、測試和實施的其他關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

介紹

在視覺系統(tǒng)的設(shè)計和實施過程中，也許沒有任何其他方面比照明更容易造成周期延誤、成本超支的普遍困擾了。市場上的光源各種各樣，那我們?nèi)绾芜x擇合適的光源呢？

本文總結(jié)提出一種開發(fā)適合樣本的照明的標(biāo)準(zhǔn)方法，而不是停留在理論處理上。主要包括以下幾個方面：

了解照明類型和應(yīng)用優(yōu)缺點、視覺相機(jī)和傳感器量子效率和光譜范圍、照明技術(shù)及其與表面平整度和表面反射率相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域

熟悉視覺照明的四個基石：幾何形狀、圖案或結(jié)構(gòu)、波長和濾光片

詳細(xì)分析即時檢測環(huán)境（物理限制和要求）以及針對您獨特樣品的樣品/光相互作用

在積累和分析了這些方面的信息后，再結(jié)合具體的樣品和檢測要求，就能選擇合適的光源，光源選擇始終滿足三項驗收標(biāo)準(zhǔn)：

最大化那些感興趣的特征的對比度

最小化其他地方的對比度

提供穩(wěn)健性衡量標(biāo)準(zhǔn)

每次檢測項目都不盡相同，因此，舉例來說，只有在部件尺寸、形狀、方向、位置或環(huán)境變量（如環(huán)境光）不存在不一致的情況下，符合符合以上標(biāo)準(zhǔn)的方案才是最有效的方案。

上圖為一包包裝顯示打光案例，上邊的打光效果符合所有三項驗收標(biāo)準(zhǔn)，而下邊的效果只符合標(biāo)準(zhǔn)一和標(biāo)準(zhǔn)二。在這種情況下，褶皺并不妨礙條形碼的正確讀取。但是，如果下一包產(chǎn)品的褶皺位置不同呢？

光源與光譜

現(xiàn)在機(jī)器視覺中常用的光源有熒光燈、石英鹵素?zé)�、LED、金屬鹵化物（汞）和氙氣。

熒光燈、石英鹵素?zé)艉桶l(fā)光二極管是機(jī)器視覺領(lǐng)域使用最廣泛的照明類型，尤其適用于中小型檢測站。

金屬鹵化物、氙氣和高壓鈉燈通常用于大規(guī)模應(yīng)用或需要非常明亮光源的領(lǐng)域。

金屬鹵化物（也稱為汞）通常用于顯微鏡，因為它有許多離散的波長峰，可與熒光研究中使用的濾光片相輔相成。

氙燈光源適用于需要非常明亮的頻閃燈的應(yīng)用。

上圖顯示了熒光燈、石英鹵素?zé)艉?LED 燈的優(yōu)缺點，以及應(yīng)用于機(jī)器視覺的相關(guān)選擇標(biāo)準(zhǔn)。例如，LED 照明的預(yù)期壽命更長，而石英鹵素?zé)粽彰骺赡苁翘囟�檢測的選擇，因為它的強(qiáng)度更大。

一直以來，熒光燈和石英鹵素?zé)羰亲畛Ｓ玫恼彰鞴庠�。近年來，LED 技術(shù)在穩(wěn)定性、強(qiáng)度和成本效益方面都有所改進(jìn)，但對于大面積照明而言，其成本效益仍然較低，尤其是與熒光燈源相比。不過，如果應(yīng)用靈活性、輸出穩(wěn)定性和使用壽命是重要參數(shù)，那么 LED 照明可能更合適。大多數(shù)視覺專家都認(rèn)為，一種光源無法充分解決所有照明問題。

不僅要考慮光源的亮度，還要考慮其光譜含量。例如，顯微鏡應(yīng)用通常使用全光譜石英鹵素、氙氣或汞光源，尤其是在彩色成像時；不過，單色 LED 光源也適用于黑白 CCD 相機(jī)，而且隨著 "全彩-RGB "和白光 LED 光頭的出現(xiàn)，現(xiàn)在也適用于彩色應(yīng)用。

在高速檢測等需要高光強(qiáng)的應(yīng)用中，將光源的光譜輸出與特定視覺相機(jī)的光譜靈敏度相匹配可能非常有用。例如，與電荷耦合器件 (CCD) 相機(jī)相比，基于 CMOS 傳感器的相機(jī)對紅外更敏感，因此在使用紅外 LED 或紅外光強(qiáng)的鎢光源時，在光源不足的檢測設(shè)置中具有明顯的靈敏度優(yōu)勢。

基礎(chǔ)原則：

盡量使傳感器的峰值靈敏度與光源的峰值波長相匹配，以充分利用其輸出。

窄波長光源（如單色 LED 或汞燈）與窄通濾光片匹配時，有利于通過波長。例如，紅色 660 納米帶通濾光片與紅色 LED 光匹配后，可有效阻擋工廠地面上來自高空熒光燈或汞光源的環(huán)境光。

環(huán)境光的原始強(qiáng)度和寬帶光譜含量會讓人對任何視覺檢測結(jié)果產(chǎn)生懷疑--請使用不透明的外殼。

打光時重點考慮以下四個要素：

幾何布局 - 樣品、光線和相機(jī)之間的三維空間關(guān)系

結(jié)構(gòu)或圖案--投射到樣品上的光線的形狀

波長或顏色-光線如何被樣品及其直接背景不同程度地反射或吸收

濾光片--不同波長或光方向的阻擋和通過

要達(dá)到評估視覺打光三項驗收標(biāo)準(zhǔn)，了解如何利用四大基石來操作和增強(qiáng)樣品對比度至關(guān)重要。通過幾何圖形改變對比度需要移動樣品、燈光和相機(jī)的位置，直到找到合適的配置。

例如，同軸環(huán)形燈（安裝在相機(jī)周圍）可能會在半反射條形碼表面產(chǎn)生熱點眩光，但只需將燈移至軸外，熱點眩光也會移出相機(jī)的視野。通過投射到樣品上的光的結(jié)構(gòu)或形狀而產(chǎn)生的對比度變化通常與光頭或照明技術(shù)有關(guān)（請參閱本系列第二部分的照明技術(shù)部分）。通過顏色照明產(chǎn)生的對比度變化與不同顏色的吸收率和反射率有關(guān)（請參閱 "樣品/光的相互作用"）。

打光方案的注意事項

在確定打光方案時需要評估兩個方面：（1）即時檢查環(huán)境和（2）樣品/光相互作用

即時檢查環(huán)境

在三維空間中，充分了解直接檢測區(qū)域的物理要求和限制至關(guān)重要。特別是，根據(jù)具體的檢測要求，使用機(jī)器人拾放設(shè)備或預(yù)先存在但必要的支撐結(jié)構(gòu)，可能會嚴(yán)重限制有效照明解決方案的選擇，因為這不僅會在照明類型上，而且會在其幾何形狀、工作距離、強(qiáng)度和模式上造成妥協(xié)。例如，您可能會確定需要使用漫射光源，但由于近距離、自上而下的通道有限而無法使用。高速生產(chǎn)線上的檢測可能需要強(qiáng)烈的連續(xù)光或頻閃燈來凍結(jié)運(yùn)動，當(dāng)然，大型物體對照明提出了完全不同的挑戰(zhàn)。此外，一致的零件擺放和展示也很重要，特別是要看檢查的是哪些特征；不過，如果充分理解了這一點，作為最后的手段，甚至可以針對零件擺放和展示的不一致開發(fā)照明。

環(huán)境光

環(huán)境光輸入會對檢測質(zhì)量和一致性產(chǎn)生巨大影響，尤其是在使用白光等多光譜光源時。最常見的環(huán)境光源是工廠的頂燈和陽光，但偶爾來自其他檢測站甚至同一工作單元中的其他檢測站的特定視覺任務(wù)照明也會產(chǎn)生影響。

處理環(huán)境光有三種有效方法：

(1) 短脈沖高功率頻閃，

(2) 物理遮蔽，

(3) 通濾器。

采用哪種方法取決于許多因素，其中大部分將在后面的章節(jié)中詳細(xì)討論。大功率頻閃可以簡單地壓倒和沖淡環(huán)境光源，但在人體工程學(xué)、成本和實施難度方面存在缺點，而且并非所有光源（如熒光燈）都可以采用頻閃。如果不能使用頻閃，而且應(yīng)用要求使用彩色攝像機(jī)，則需要使用多光譜白光來實現(xiàn)準(zhǔn)確的色彩再現(xiàn)和平衡。在這種情況下，窄波長濾光片是無效的，因為它會阻擋大部分的白光，因此外殼是最好的選擇。

不過，這一一般規(guī)則也有例外。例如，700 納米短通濾鏡（又稱紅外阻斷器）是彩色相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，因為紅外成分會改變色彩的準(zhǔn)確性和平衡，尤其是綠色通道。下圖展示了使用通濾器如何非常有效地阻擋環(huán)境光，尤其是當(dāng)相關(guān)光為低產(chǎn)熒光時。

上圖顯示的是使用紫外環(huán)形光源的尼龍螺母，但紅色 660 納米的 "環(huán)境 "光源卻將其淹沒。目的是確定是否存在尼龍。由于環(huán)境光的影響較大，很難從相對低產(chǎn)的樣品藍(lán)色熒光中獲得足夠的對比度。

采用了相同的照明，只是在相機(jī)鏡頭上安裝了一個 510 納米的短通濾光片，有效地阻擋了紅色 "環(huán)境 "光，使 450 納米的藍(lán)光得以通過。

樣品/光相互作用

樣品表面如何與特定任務(wù)光和環(huán)境光相互作用與許多因素有關(guān)，包括表面整體形狀、幾何形狀和反射率以及其成分、地形和顏色。這些因素的某種組合決定了有多少光以何種方式反射到相機(jī)，隨后可用于采集、處理和測量。例如，彎曲的鏡面（如汽水罐底部）反射定向光源的方式與平坦的漫射表面（如復(fù)印紙）不同。

同樣，表面（如組裝的 PCB）的反射方式與平坦但有細(xì)紋理或凹坑的表面不同，具體取決于光的類型和幾何形狀。

左側(cè)的 2D 點陣矩陣代碼由明場環(huán)形光照射。右側(cè)則由低角度線性暗場光成像。

色彩分析

材料對各種波長的光的反射和/或吸收存在差異，這種效果對黑白和彩色成像空間都有效。同色系的光線反射會使表面變亮；相反，相反的顏色吸收會使表面變暗。使用暖色和冷色的簡單色輪，您可以在零件和其背景之間產(chǎn)生差異對比度，

甚至可以在給定有限的已知調(diào)色板的情況下使用黑白相機(jī)區(qū)分彩色零件。

(a) 白光和彩色 CCD 相機(jī)；(b) 白光和黑白相機(jī)；(c) 紅光，使紅色和黃色變亮，藍(lán)色變暗；(d) 紅光和綠光，產(chǎn)生黃色，使黃色比紅色更亮；(e) 綠光，使綠色和藍(lán)色變亮，紅色變暗；(f) 藍(lán)光，使藍(lán)色變亮，使其他顏色變暗。

樣品成分和透射率

樣品成分會極大地影響照射到部件上的任務(wù)照明。有些塑料可能只透射某些波長范圍的光，否則是不透明的；有些塑料可能不會透射光，而是在內(nèi)部散射光；還有一些塑料可能只吸收光，然后以相同波長或不同波長重新發(fā)射光（熒光）。熒光標(biāo)簽和染料也常用于印刷行業(yè)的油墨中。

機(jī)油瓶用 660 nm 紅色環(huán)形燈照射

右側(cè)的機(jī)油瓶用 360 nm 紫外線熒光燈照射

首先，紅外光可有效消除基于顏色的對比度差異，主要是因為紅外光的反射更多地基于樣品成分而非顏色差異。當(dāng)需要較低對比度（通�；�于白光的顏色反射）時，可以使用此特性

左側(cè)為光澤紙樣品在漫射白光下的情況。右側(cè)為光澤紙樣品在漫射紅外光下的情況

紅外光在穿透聚合物材料方面比短波長（例如紫外線或藍(lán)光，甚至在某些情況下比紅光）更有效。相反，正是由于缺乏穿透深度，藍(lán)光更適合用于成像黑色橡膠化合物或激光蝕刻的淺表面特征。

在裝配好的 PCB 中，紅光的穿透力為 660 nm（左圖），紅外光的穿透力為 880 nm。請注意，盡管紅光從電路板頂部中心的孔中溢出，但紅外光的穿透力更好。

偏振濾光片成對使用時，一個位于光源和樣品之間，另一個位于樣品和相機(jī)之間，通常通過螺紋固定在鏡頭上，可用于檢測透明樣品中的結(jié)構(gòu)晶格損傷。

左側(cè)為帶有紅色背光的透明塑料六罐罐架。右側(cè)為相同圖片，但增加了一對偏振器

（a）不帶偏光鏡的同軸環(huán)形燈。（b）帶偏光鏡的同軸環(huán)形燈（注意一些殘留眩光）。（c）不帶偏光鏡的離軸（光軸平行于樣品長軸）環(huán)形燈。（d）不帶偏光鏡的同軸環(huán)形燈。（e）帶偏光鏡的同軸環(huán)形燈（注意：2 ½ f 檔開口）

 所示的圖像展示了偏振濾光片在阻擋眩光方面的中等效果和高度效果。在圖 所示的樣品中，您可以看到從曲面（例如此個人護(hù)理產(chǎn)品瓶）反射的眩光可以控制但不能完全消除（參見圖 b 中心區(qū)域）。這是因為定向光源會在曲面上產(chǎn)生多個反射方向，而偏振濾光片無法同時阻擋所有振動方向，因此總會留下一些暈影。在這種情況下，如果可以靈活控制眩光，更有效的眩光控制方法是重新考慮照明幾何形狀。只需將光線從鏡頭周圍的同軸位置移動到相對高角度但離軸的位置，就可以完全消除所有鏡面反射。相反，對于圖 d-e 所示的相對平坦且平面的罐子頂面，您可以很大程度上消除鏡面眩光，從而產(chǎn)生清晰的圖像以供檢查。然而，使用雙偏振器的一個缺點是它們會大大減少允許的光量 - 在罐蓋示例中最多可減少 2 ½ 檔光圈，這對于高速、光線不足的檢查可能是有害的。

照明技術(shù)

照明技術(shù)包括背光、漫射（也稱為全明場）照明、明場（實際上是部分明場或定向）照明和暗場照明。

某些技術(shù)的應(yīng)用需要特定的光線和幾何形狀，或相機(jī)、樣品和光線的相對位置，而其他技術(shù)則不需要。例如，標(biāo)準(zhǔn)明場條形光也可以用于暗場模式；而漫射光則專門用于暗場模式。

大多數(shù)視覺照明產(chǎn)品制造商也提供在同一光源中采用各種技術(shù)組合的光源，至少在基于 LED 的光源中，每種技術(shù)都可以單獨尋址。這種情況允許更大的靈活性，并且當(dāng)可以在一個站點而不是兩個站點中完成許多不同的檢查時，還可以降低潛在成本。如果充分了解每種照明技術(shù)的應(yīng)用條件和限制，以及檢查環(huán)境和樣品/光相互作用的復(fù)雜性，就有可能開發(fā)出滿足三個驗收標(biāo)準(zhǔn)的有效照明解決方案。

背光

背光可產(chǎn)生即時對比度，因為它會在明亮的背景下產(chǎn)生深色輪廓。最常見的用途是檢測孔和間隙的存在/不存在、零件放置或定位，或測量物體。如果需要精確（子像素）邊緣檢測，通常使用具有光控制偏振的單色光（例如紅色、綠色或藍(lán)色）很有用。

漫射（全亮場）照明

漫射或全明場照明最常用于需要均勻但多向光的閃亮鏡面或混合反射率樣品。漫射照明有幾種實現(xiàn)方式，但主要有三種類型（，其中半球形圓頂/圓柱體或軸上照明最為常見。

漫射圓頂燈可有效照亮彎曲的鏡面，例如汽車行業(yè)中常見的鏡面。軸上燈對平面樣品的作用方式類似，尤其可有效增強(qiáng)相對平坦物體上的不同角度、紋理或地形特征。為了有效，漫射燈（尤其是圓頂燈）需要靠近樣品。

軸向漫射照明的一個有用特性是，在這種情況下，您實際上可以利用眩光，而不是拒絕或避免鏡面眩光，如果可以專門隔離眩光以唯一地定義一致和穩(wěn)健檢查所需的感興趣特征。

部分明場或定向照明

部分明場照明是最常用的視覺照明技術(shù)，也是日常使用最廣泛的照明，包括陽光。這種類型的照明與全明場照明的區(qū)別在于，它是定向的，通常來自點源，由于其定向性，它是產(chǎn)生對比度和增強(qiáng)地形細(xì)節(jié)的好選擇。然而，當(dāng)與鏡面同軸使用時，它的效果要差得多，會產(chǎn)生常見的“熱點”反射。

暗場照明

暗場照明可能是所有技術(shù)中最不為人熟知的，盡管您在日常生活中確實會使用這些技術(shù)。例如，汽車前燈的使用依賴于以低角度照射在路面上的光線，從路面上的小瑕疵反射回來，以及附近的物體。

明場與暗場

下圖說明了鏡面上圓形定向（部分明場）和圓形暗場光的實現(xiàn)和結(jié)果的差異。

鏡子的明場圖像

鏡子的暗場圖像（注意劃痕）

暗場照明的有效應(yīng)用依賴于這樣一個事實：入射到鏡面的光線大部分會以熱點眩光的形式充斥整個場景，而這些光線會被反射回相機(jī)，而不是朝向相機(jī)。反射回相機(jī)的光線相對較少，恰好可以捕捉到表面上小特征的邊緣，滿足“反射角等于入射角”等式

左側(cè)的花生糖袋位于明場環(huán)形燈下。右側(cè)的花生糖袋位于暗場環(huán)形燈下 — 請注意，接縫非常明顯

光照選擇分析順序

以下照明分析順序假設(shè)您具備照明類型、相機(jī)靈敏度和光學(xué)方面的工作知識，并熟悉照明技術(shù)和視覺照明的四個專責(zé)。您可以將其用作核對清單，但它絕不是全面的。但是，它確實為標(biāo)準(zhǔn)化方法提供了良好的工作基礎(chǔ)，您可以根據(jù)檢查要求對其進(jìn)行修改和/或擴(kuò)展。

1.立即檢查物理環(huán)境

操作員交互時采用人在回路嗎？

與頻閃或強(qiáng)光照明應(yīng)用相關(guān)的安全性？

樣本靜止、移動、還是索引？

如果移動或索引，速度、進(jìn)給和預(yù)期循環(huán)時間？

頻閃？預(yù)期脈沖率、準(zhǔn)時性和占空比？

是否有持續(xù)振動或者沖擊振動？

該部件的方向和位置是否一致？

是否存在環(huán)境光污染的可能性？

 在 3D 空間 (工作空間) 中相機(jī)、鏡頭和照明

工作體積的大小和形狀

最小和最大相機(jī)、照明工作距離和視野

物理約束

零件特性

人體工程學(xué)與安全性

2.樣品/光相互作用

來自高架或操作站照明的環(huán)境光貢獻(xiàn)？

來自另一個檢查站的輕微污染？

來自同一檢查站的輕微污染？

金屬、非金屬、混合、聚合物？

零件顏色與背景顏色

透明、半透明還是不透明——紅外傳輸？

紫外線染料，還是熒光聚合物？

反射率——漫反射、鏡面反射還是混合反射？

整體幾何形狀——平面、曲面還是混合面？

紋理——光滑、拋光、粗糙、不規(guī)則、多重？

地形——平坦、有多個高程、角度？

需要光強(qiáng)度嗎？

樣品表面

構(gòu)圖和色彩

輕度污染

3.感興趣的特征

4.運(yùn)用照明的四大準(zhǔn)則

燈光——相機(jī)樣本幾何問題

光型問題

樣本與背景之間的顏色差異

適用于短通、長通或帶通應(yīng)用的濾波器（包括偏振）

5.照明技術(shù)和類型知識

熒光燈、石英鹵素?zé)�、LED 燈以及其他燈

明場、暗場、漫射或背光

視覺相機(jī)和傳感器的量子效率和光譜范圍

這種深入分析通常會導(dǎo)致看似矛盾的方向，因此需要做出妥協(xié)。例如，詳細(xì)的樣品/光相互作用分析可能表明使用暗場照明技術(shù)，但檢測環(huán)境分析表明光必須遠(yuǎn)離部件。在這種情況下，采用暗場配置的更強(qiáng)烈的線性條形光可能會產(chǎn)生您想要的對比度，但可能需要更多的圖像后處理。

無論分析和理解水平如何，通常都無法替代首先在工作臺上實際測試兩三種燈光類型和技術(shù)，然后在可能的情況下在實際車間實施。當(dāng)從頭開始設(shè)計視覺檢測和零件處理/展示時，最好先制定照明解決方案，然后根據(jù)照明要求構(gòu)建其余的檢測。

本文目的是幫助您找到最佳照明解決方案，該解決方案考慮并平衡了人體工程學(xué)、成本、效率和一致應(yīng)用等問題。這可以幫助您更好地分配時間、精力和資源——這些項目可以更好地用于視覺系統(tǒng)設(shè)計、測試和實施的其他關(guān)鍵方面。