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1、机器视觉系统中的光源一、概述光源是机器视觉系统中重要的组件之一，一个合适的光源是机器视觉系统正常运行的必备条件。因此, 机器视觉系统光源的选择是特别重要的。使用光源的目的是将被测物体与背景尽量明显分别，获得高品质、 高对比度的图像：将运动目标凝固在图像上；增加待测目标边缘清楚度；消退阴影：抵消噪声。机器 视觉有三大技术即采像技术，处理技术，运动掌握技术，而采像技术离不开光源，光源的选择及其性能直 接影响系统的成败，影响处理精度和速度。所以光源在机器视觉系统中起到了举足轻重的作用。为机器视 觉系统选择光源时，最基本是要考虑亮度、光源的位置、表面纹理与外形、鲁棒性、颜色等因素，只有光 源在满意生产
2、管理或是质量检测时对于这些因素的要求，才能猎取清楚的图像资料，作为精确 的数 据信息供工作人员使用。因此，选择光源时要考虑的这些因素，可以说是最基本的因素，是推断光源是否 可用的依据。然而，机器视觉系统光源的种类比较繁多，想要达到更佳的效果，就要在确保可用的基础上， 详细到选择合适的种类。二、光源的评价要素1）对比度对比度对机器视觉来说特别重要。机器视觉应用的照明的最重要的任务就是使需要被观看的特征与需 要被忽视的图像特征之间产生最大的对比度，从而易于特征的区分。对比度定义为在特征与其四周的区域 之间有足够的灰度景区分。好的照明应当能够保证需要检测的特征突出于其他背景。2）鲁棒性鲁棒性就是对环
3、境有一个好的适应。好的光源需要在实际工作中与其在试验室中的有相同的效果。3）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，必定要加大光圈，从而减 小了景深。4）匀称性匀称性是光源一个很中要的技术参数。匀称性好的光源使系统工作稳定。5）可维护性可维护性主要指光源易于安装，易于更换。6）寿命及发热量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，光 源的寿命也会受到很大影响。三、机器视觉系统中的光源的种类3.1光源种类目前的机器视觉系统光源市场，最为常见的光源主要有高频荧光灯、光纤卤素灯以及LED灯三种。 高频荧光灯就是我们日常生活中所
4、使用的荧光灯，其使用寿命约15003（）00小时，相对处于中等水平。 高频荧光灯集中性好，比较适合于进行大面积匀称的照耀，但是响应速度慢、亮度较暗是其最大的弊端。 因此，在其应用方面比较适合于猎取低标准大面积图像：光纤卤素灯是卤素灯与光纤导管的有效结合，是 由光纤导管将卤素灯泡所产生的强光，转向被测物进行照明。卤素灯亮度高，但响应速度慢、寿命短、不 具备光亮度和色温的变化，适应亮度要求高，但检测项目较少的应用；LED光源采纳的是由多个LED灯 以某一特定外形组合起来对被测物进行照明的方式，这是目前被普遍采纳的照明方式，应用范围比较广。 3.2 LED光源种类荧光灯亮度以及稳定性太差打算了在很多
5、机器视觉系统中被淘汰，卤素灯价格昂贵、使用寿命太短， 使应用无法达到普及，而LED光源以稳定性强、使用寿命长等性能优势得到了广泛的应用。同时，LED 光源由于是由LED灯组合而成的，因此依据其结构不同又有了不同的分类。1）环形光源环形光源也俗称光管、日光灯管，其光源采纳LED作为发光体。传统的日光灯管又称荧光灯。采用 不同照耀角度、不同颜色组合对被测物体整体进行照明，更能突出物体的三维信息。高密度LED阵列， 高亮度，解决了对角照耀的阴影问题。图1环形光源灯两端各有一灯丝，灯管内充有微量的氮气和淡薄的汞蒸气，灯管内壁上涂有荧光粉，两个灯丝之间 的气体导电时发出紫外线，使荧光粉发出可见光。LED
6、灯管有很多优点，一般用于一般照明，写字楼，商 场，酒楼，学校，家庭，工厂等室内照明。发光原理：PN结的端电压构成肯定势垒，当加正向偏置电压时势垒下降，P区和N区的多数载流子 向对方集中。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以会消失大量电子向P区集中，构成对P区少数载 流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去。这就是PN结发 光的原理。2）背光源采纳高密度LED阵列面供应高强度背光照明，是突出物体最明显的一种照明光源，适合作为显微镜 的载物台，对机械零件尺寸的测量，胶片污点的检测以及透亮物体划痕检测等。由于传统LCD显示设施上CCFL（Cold Cathode
7、 Fluorescent Lamps,冷阴极荧光灯）背光技术及产品的某 些先天不足，例如色域狭窄、能源采用率低其功耗较高和寿命短小等，所以人们始终在查找着其替代技术 及产品，而在这个过程中，LED背光技术产品便被纳入了人们的选用范畴。从发光原理上来看，由于LED是由数层很薄的掺杂半导体材料制成，一层带有过度的电子，另一层则缺 乏电子而形成带正电的“空穴”，工作时电流通过，电子和空穴相互结合，多余的能量则以光辐射的形式 被释放出来,LED正是依据这样的原理实现电光的转换，又依据半导体材料物理性能的不同，LED可发出从 紫外光到红外光不同光谱卜.不同颜色的光线，特殊是LED不能发出白光的技术问题解
8、决之后，为LED在 显示领域的应用奠定了根本性的基础。采纳LED为液晶电视的背光源，最主要目的是提升画质，特殊是颜色饱和度上，LED背光技术的显示屏 可以取得足够宽的色域，弥补液晶显示设施显示颜色数量不足的缺陷，使之能达到甚至超过Adobe RGB 和NTSC颜色标准要求，可以达到NTSC ratio 100%以上，其中索尼推出采纳LED背光的液晶电视面板， 特殊强调鲜红和深绿的表现，可显示较以往的方式更为逼真的颜色。同时由于LED的平面光源特性，使 LED背光还能实现CCFL无法比及的分区域的颜色和色度调整功能，从而实现更加精确的颜色还原性，以 适应平面出版和图形设计工作的需要，画面的动态调
9、整可以使得在显示不同画面时，亮度与对比可以动态 修正，以达到更好的画质。此外，LED作为背光源的优点是可以取代color filter的使用。以三色RGB LED采纳色序法（color sequential） 技术，采用人类视觉暂留的特性，达到全彩的效果，因此可以取代彩色滤光片。当然，这必需协作液晶的 反应速度才能达到。不过要达到此境界，仍有很多困难必需克服。不过LED背光模块也不是没有缺点，耗电品的问题仍旧是LED背光模块必需克服的重要课题。由于采纳 较多的LED,除了耗电量增加之外，也导致温度上升的问题，因此也必需增加冷却系统与传感器来解决此 问题，因此在厚度上显得较采纳CCFL背光的产品
10、来得厚。尽管LED背光技术有着很多优点，但是其同样也有着难以回避的普及应用难点，首先来说，应用了这种 新技术的产品在价格方面还不具优势，再者，LED技术把握在少数厂商手中为其普及带来困难，最终就是 该项技术自身的缘由，LED背光技术在发光效率、电流掌握和散热上还不是做的很好，从长远的趋势来看， LED背光技术作为一种替换型的技术产品存在确定会渐渐的普及开来，而依据相关的行业预期，这种大面 积应用应当在2022年。当然随着三星、LG的新面板技术的快速进展，其也有可能提前大面积应用。3）同轴光源：可以消退物体表面不平整引起的阴影，最大程度的削减干扰。基本特性：LED灯具有体积小、能耗小、热量低、亮
11、度高、寿命长、环保及结实耐用等多种优越 性能，是目前最为抱负的光源选择，LED同轴光源基于LED灯的基本性质，经加工设计后，发出的光线 平行垂直照耀，匀称，适用于反射度极高的金属表面以及玻璃等，能够清楚的反映出凹凸物体的表面图像。照明原理：在同轴灯里面安装一块45 度半透射半反射玻璃.将高亮度，高密度的 LED阵列排列在线路板上，形成一个面光 源，面光源发出的光线经过透镜之后，照耀 到半透射半反射玻璃上，光线先通过全反射 垂直照到被测物体上，从被测物体上反射的 光线垂直向上穿过半透射半反射玻璃，进入 摄像头。这样就既消退了反光，又避开了图 像中产生摄像头的倒影。物体所呈现出清楚 的图像，并被相
12、机捕获，用于进一步的分析 和处理。适用场合：由于光明匀称的照明光源能够掩 盖整个视场，因此这套照明光源系统可以成 为镜面加工过程中检测刮痕的抱负光源。在工业 中，可以用标准的同轴照明光源，检测轴承 的边缘及其破损状况。4）点光源图2同轴光源成像示意图此外，同轴光源还有一种，就是点光源。大功率LED,体积小，发光强度高，可替代光纤卤素灯。由 于点光源是和同轴镜头协作使用。事实上，只是把上面同轴灯45度半透射半反射的玻璃，移植到镜头里 面去了，所以这时选的是同轴镜头。5） LED条形光源基本特性：将高密度LED阵图3条形光源成像示意图Q斜的矩形照明单元中。LED条形光源可 供应斜射照明，亮度高。它
13、的敏捷性较大，但调试时也要相对费事一些。LED条形光源的低角度照耀是检 测金属表面边缘和突出印刷、破损的抱负照明。照明原理：将LED以高密度排列在单个条形平面电路板上。依据其设计特点，条形光源的安装角度 可以进行调解，并且可以以任意角度照耀在被测物体表面，光线的角度和方向可以完全转变所猎取的图像。 适用场合：条形光源可以用来检测印刷在包装箱上的文字，保鲜膜的破损以及传送带的损伤等。6）低角度方式照明基本原理：低角度方式,照明采纳LED环形光源，与环形光源不同的是，他更大，安装的角度更低， 接近180度。低角度方式下，光源以接近180度角照耀物体，简单突出被检测物体的边缘和高度变化。适 合被测物
14、体边缘检测和表面光滑物体的划痕检测。配备材料：若干小型LED光源，两个环形LED线路板及铝制外壳，一个CCD相机，一个相机托架，两 个光源托架，各种连接电缆适用场合：检测平面和有纹理的表面。当需要清楚的显示出物体的边缘轮廓，并检查出金属表面边缘 的破损状况时，也很适用。四、机器视觉中主要使肪图低角度方式照明效果图4低角度方式照明图图4低角度方式照明图机器视觉中主要使用的三种光源：同轴光源，条形光 源，零度角光源（低角度方式照明）都具有自身的优势和 特性。三种照明方式皆适用于平面物体，且都能检测出物 体表面的刮痕和破损。对于带弧度的物体，需要用到此外的LED光源。同轴光源设计奇妙，最大的特性是能够作为反射度极高的金属表面以及玻璃的照耀光源，在镜面加工 工业中，具有不行替代的作用。在配置过程中，尤其需要留意调整凸透镜和半透射半反射玻璃的位置。为 了得到最佳的照明效果，应当进行反复的调试。条形光源最大的特性是敏捷性大，可以从多个角度采集图像，获得全方位的图像信息。对于需要获得 全面的表面特征的物体，如检测被测物体是否有光泽，是否有表面纹路时，可以选择条形光源。低角度光源最大的特性是物体的边缘轮廓显示得特别清楚，重点运用于检查金属边缘的破损状况。但 同时也要留意这种低角度方式照明对光源的散热要求较高，而且会产生极度阴影，选择时可依据实际需要 来看。