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LED背光源为视觉检测设备照明
发表时间:2018-12-10

发光二极管(LED)无闪烁、低功耗和更长的使用寿命等优势,令这一技术成为机器视觉系统应用的首选。为了恰当地为视觉检测设备提供照明,需要了解被照明产品的类型、这些产品被检测的速率,以及如何借助LED照明装置在图像中突出产品的具体特征。  
在很多情况下,恰当的照明可以增加图像特征的对比度,便于检查,减少了对昂贵的高精度相机和复杂图像处理软件的需求。这是在开发机器视觉系统时优先考虑照明问题的主要原因。  
由于在实际生产中每种应用都不尽相同,因此视觉检测设备对应的照明器件的选择、使用光的颜色(或频率)、运行模式都有所不同。  
因为每种特定产品的属性大相径庭。为了使每种特定的图像都能获得最大对比度,需要配备特定的照明元件,如背光源、环形光源、穹顶光源、线性光源,这些光源可能配置了运作在紫外(UV)到红外(IR)波段的LED。 

  
不同频率  
        在测量特定部件(如汽车垫圈)参数的系统中,通常会用到漫反射背光。当使用漫反射背光时,LED光源的颜色或波长将影响获得的分辨率,因为单色光可以提供更好的特性对比度。单色光可以减少相机透镜中任何轴向与横向的色差,从而能获得更高的分辨率。  
具有不同频率的光源同样适用于测量不透明容器中存储的液体水平。在这些应用中,700~1000nm的长波长红外光可以穿透纸和塑料等材料。红外光同样可用于食品检测。在这个应用案例中,红外背光被用于检测蓝莓中的金龟子。

图1


图1:a)使用白色背光照明检测蓝莓中的金龟子,蓝莓和金龟子可以同时被看到。b)使用红外背光照明,红外光可穿透蓝莓,被金龟子吸收,因此即使是被蓝莓遮住的金龟子也能被检测出来。 

因为红外光波长可以穿透蓝莓,被金龟子吸收,因此即使是被蓝莓遮住的金龟子也能被检测出来。采用单一波长背光可以提升图像系统的潜在分辨率,此外还可通过平行照明技术降低标准背光产生的漫反射,进一步提升分辨率。


平行光  

实现平行光照明的一种方法是使用平行背光照明器,将LED阵列发出的散射光准直到与透镜光轴相同的光轴上,这些同轴照明器从被检测物体背后发射出平行光,抑制光的散射。 

图2

图2:同轴照明器从待检测物体的背后发射平行光,抑制光的散射。同轴照明能够提升图像的分辨率。用背光源和同轴照明器两种光源照射一个图钉。当用背光照明图钉时,光穿透透明物体,能够检查出图钉内部的构造和缺陷;但如果需要测量图钉的尺寸,则采用同轴光,同轴光被折射生成锐利的黑色轮廓。 


图3:a)当用背光照亮图钉时,光透过透明物体,能够检查到图钉内部的构造和缺陷。b)照射到图钉上的平行光被折射,产生锐利的黑色轮廓。同轴照明器为视觉检测设备开发者提供了一种照明小型配件的方法;相比之下,远心背光则提供了一种价格更高的替换方案。当物体需要超高精度测量时,通常选用远心照明。 

  
远心照明  

在远心照明系统的设计中,LED的发散光被聚焦,从而降低照射物体轮廓时可能产生的漫反射。为了获得尽可能高的分辨率,配备了远心透镜的相机会捕捉到检测过程中越过或穿过物体的光线。随后,被捕捉到的来自物体的光线被聚焦、并且与光轴平行。

当远心照明被当作背光使用时,系统工程师可以为相机系统配备三种不同类型的远心镜头。远心镜头的种类有:物方远心镜头、像方远心镜头和双远心镜头。当使用物方远心镜头时,在镜头的远心深度内,物体与镜头之间微小的距离变化不会改变物体的放大率。  

当需要对物体进行精密测量时,该特性尤为重要,特别是在物体没有被精确地放在像平面中时。同样地,在像方远心设计中,镜头到CCD或CMOS成像器之间的微小距离变化,并不会影像图像测量的精度。  

双远心镜头集成物方远心镜头和像方远心镜头的优势,能够提供最高的测量精度。与其他类型的背光一样,远心照明系统可以提供不同的尺寸和波长。  

众多选择  

尽管背光是最为常用的物体照明方式,但它并不是视觉检测设备的唯一选择。通常,条形码、瑕疵、打印质量和色彩测量等2D特性,均能在物体表面被观测到。需要再次指出的是,不论是同轴照明系统还是离轴照明系统,都可以采用多种照明光源,如各种不同配置和波长的点光源、环形光源、穹顶光源及线性光源。  

每种光源都有其特定的检测照明适用范围。在合适的波长选择正确的照明方案,将极大地提高被测对象的对比度,确保更高效地实现更加精密的视觉检测设备。