机器视觉照明设计：优化视觉检查的关键技术与应用指南,民营医院营销推广

发布日期： 2025-02-07 阅读量： 作者： 网络

概述

照明的质量和适用性是创建强大而及时的视觉检查的关键方面。要设计有效的视觉照明解决方案，除了了解照明类型，技术，几何，过滤，传感器特性和颜色外，还需要对检测环境进行全面分析，包括样本性能和样品/光相互作用。设计和遵循严格的照明分析序列提供了一个一致，强大的环境，可最大程度地利用时间，能量和资源 - 更好地利用视觉系统设计，测试和实现的其他关键方面。该教程展示了机器视觉照明的概念和理论。

目录

1。简介

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。应用区

7。照明分析顺序

8。摘要

1。简介

视觉系统设计和实现的其他方面也许导致延误，成本超支和一般恐慌，而不是照明。从历史上看，照明通常是指定，开发或资金的最后一个方面。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产品组成，其环境贡献数量不同。

本指南旨在提出用于开发样品的标准方法，而不是在理论处理中纠缠。它在实际框架中详细介绍了相关方面，并在适用的情况下从以下方面提供了示例：

①了解照明类型和应用的优点和缺点，视觉摄像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和表面反射率

②熟悉视觉照明的基石：几何，图案或结构，波长和过滤器

③详细分析即时检测环境（物理约束和要求）以及独特样品的样品/光相互作用

New （）认为，当您在这些领域积累和分析信息时，您可以根据特定的样本和检测要求实现机器视觉照明分析的主要目标 - 为符合三个验收标准的样品提供适当的照明：

①对这些功能的最大使用的比较

②在其他地方最小化对比度

③提供强大的措施

每次检查都是不同的，例如，符合验收标准1和2的照明解决方案仅在组件大小，形状，方向，位置或环境变量（例如环境光贡献）中没有不一致的情况下才有效（见图1）。

图1。纸条包装上的玻璃纸包装器表明，左侧符合所有三个接受标准，而右侧仅符合一号和两个标准。在这种情况下，皱纹不排除良好的条形码读数。但是，如果皱纹在下一个软件包上处于不同的位置怎么办？

2。视觉照明源和光谱内容

机器视觉中使用的常见照明源是荧光灯，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，尤其是中小型检查站。金属卤化物，氙气和高压钠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）通常用于显微镜，因为它具有许多离散的波长峰，它们补充了用于荧光研究的过滤器。氙气灯对于需要非常明亮的频闪灯的应用非常有用。

图2显示了荧光灯，石英卤素灯和LED照明类型以及适用于机器视觉的相关选择标准的优点和缺点。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。普通视觉照明源的比较

从历史上看，荧光灯和石英卤素灯源已被广泛使用。近年来，LED技术的稳定性，强度和成本效益得到了提高，但是对于大区域照明而言，它仍然没有成本效益，尤其是与荧光灯源相比。但是，如果应用程序灵活性，输出稳定性和寿命是重要的参数，则LED照明可能更合适。根据特定的照明要求，您通常可以使用多种照明源类型进行特定的实现，并且大多数视觉专家认为一种光源类型并不能充分解决所有照明问题。

不仅是光源的亮度，还包括光谱的含量（图3）。例如，显微镜应用通常使用全光谱石英卤素灯，氙气灯或汞灯，尤其是在颜色成像时；但是，随着“全彩RGB”和白色LED灯头的出现，单色LED灯源也可用于黑白CCD摄像头。，现在也用于颜色应用中。

在需要高光强度（例如高速检测）的应用中，将光源的光谱输出与特定视觉摄像机的光谱灵敏度匹配可能很有用（图4）。例如，基于CMOS传感器的摄像机比其电荷耦合器件（CCD）相对敏感，在使用富含红外LED或富含红外钨的光源时，在检测设置中具有明显的灵敏度优势。

图3。光源和光谱含量的相对强度（底部的栏表示人类可见光波长的大致范围）

图4。相机传感器的绝对量子效率和波长（底部的栏表示人类可见波长的大致范围）

此外，图3和4显示了选择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匹配，以充分利用其输出。

②当与狭窄的通滤波器匹配时，狭窄的波长源（例如单色LED或汞）有利于传递战略波长。例如，与红色LED灯相匹配的红色660 nm带通滤波器可以有效地阻止高架荧光灯或汞源的工厂地板的环境灯。

具有原始的强度和宽带光谱含量，可以质疑任何视觉检查结果 - 使用不透明的房屋。

④即使您的思想善于解释您的眼睛所看到的，人类的视觉系统在极端敏感性和光谱动态范围方面远非足够 - 让您的眼睛看到使用视觉摄像机获得的图像。

3。视觉照明的基石

视觉照明的四个基石是：

①几何 - 样品，照明和相机之间的三维空间关系

②结构或图案 - 光明在样品上的光的形状

③波长或颜色 - 样品如何反射或吸收光及其直接背景差异

④滤波器 - 差速器阻断和传递波长和/或光的方向

了解如何使用四个基石来操纵和改善样本对比对于满足评估照明质量和鲁棒性的三个接受标准至关重要。通过几何形状影响对比度的变化涉及移动样品，光和/或相机位置，直到找到合适的配置为止。例如，同轴环（安装在相机周围）可能会在半反射条形码表面上产生热点眩光，但是只需将光线移开，热点眩光也会从相机的视野中移出。按照样品上投射到样品上的光的结构或形状，对比度变化通常是针对光头或照明技术的（请参阅本系列第2部分的照明技术部分）。通过颜色照明对比的变化与不同的颜色吸光度与反射率有关（请参阅样品/光相互作用）。

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/光相互作用

考虑这些评估中的所有信息，以及可用的光学，照明类型，技术和四个基石，以开发符合三个接受标准的样本友好的照明解决方案。

即时检查环境

充分了解3D空间中立即检查区域的物理要求和局限性至关重要。特别是，根据特定的检查要求，使用机器人拾取机或预先存在但必要的支撑结构可能会严重限制有效的照明解决方案的选择，而不仅要折衷，而且还可以限制其几何，工作距离，强度和模式。例如，您可以确保需要使用扩散的光源，但是由于自上而下的特写量有限，因此无法应用。对高速线路的检查可能需要强烈的连续光或闪光灯才能冻结运动，当然，大型物体在照明方面也完全不同。此外，一致的组件放置和显示也很重要，尤其是取决于正在检查的功能。但是，即使将照明部分放置并不一致地显示，如果完全理解，它也可以用作最后的手段。

环境光的贡献

环境光输入的存在可能会对检查的质量和一致性产生巨大影响，尤其是在使用多光谱光源（例如白光）时。最常见的环境影响因素是高架工厂的照明和日晒，但有时会在同一工作单元中其他检查站或其他工作站进行视觉特定于任务的照明。

有三种处理环境光的有效方法：（1）持续时间脉冲短的高功率门，（2）物理外壳和（3）通过过滤器。应用哪种方法是许多因素的函数，其中大多数将在章节后面详细讨论。高功率门口仅使环境贡献不堪重负，但人体工程学，成本和实施方面存在缺点，并且并非所有荧光灯都可以频闪。如果您无法使用门控，并且如果应用程序需要彩色相机，则需要多光谱的白光才能进行精确的颜色修复和平衡。在这种情况下，狭窄的波长通滤波器无效，因为它会阻止大多数白光贡献，因此外壳是最佳选择。

但是，此一般规则有例外。例如，一个700nm的短路过滤器（也称为IR阻滞剂）是颜色相机的标准配置，因为红外部件会改变颜色的准确性和平衡，尤其是绿色通道。图5说明了如何使用PASS过滤器可以非常有效地阻断环境光，尤其是当感兴趣的光线是低屈服荧光时。

图5。左图显示了带有紫外线灯的尼罗螺旋螺母，但充满了660 nm的“环境光”。目的是确定尼龙的存在/不存在。由于周围环境的贡献很大，因此很难从样品的蓝色荧光灯的相对较低的产量中获得足够的对比。正确的图像具有相同的灯光，只是在相机镜头上安装了510nm的短通滤波器，该镜头有效地挡住了红色的“环境”灯并允许蓝色450nm的光线通过。

样品/光相互作用

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