機器視覺中的輪廓照明

需要精確檢測和測量邊緣和小缺陷的機器視覺應用通常需要具有挑戰(zhàn)性的照明裝置。為了最大限度地提高圖像的重要細節(jié)和背景之間的對比度，可以考慮使用一種稱為遮擋照明的照明技術(shù)。當與高質(zhì)量遠心成像透鏡結(jié)合使用時，遮光照明設(shè)置將減少其他照明系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的散射效應，允許更準確的邊緣檢測，并提供更好的整體圖像對比度。有四種不同的照明器有助于創(chuàng)建輪廓照明：傳統(tǒng)背光、掩蔽背光、準直背光和遠心照明器。每個照明器具有不同的優(yōu)點和缺點，根據(jù)應用，這些優(yōu)點和缺點可以被最佳地集成。發(fā)散與數(shù)值孔徑在概述不同類型的遮光照明器之前，需要查看光源和成像透鏡的發(fā)散度和數(shù)值孔徑（NA）。光源的發(fā)散度是光線相對于其光軸傳播的角度。發(fā)散光源是指其照明輪廓隨著遠離初始點而變大的光源，很像標準手電筒。如果光源在向前移動時看起來沒有變大，則該光源被定義為準直光源，最常見的是激光器。當光源的光線相互平行傳播時，就會發(fā)生準直光。這是通過使用光學器件來操縱發(fā)散光束，或者通過將發(fā)散源放置在離物體足夠遠的地方，使其在到達物體時看起來是準直的來實現(xiàn)的。通過將發(fā)散源定位在正透鏡的焦點處，光線在經(jīng)歷折射后將準直。光源和所用特定透鏡的尺寸將決定所得光束的準直程度。方程1顯示了準直光束中剩余發(fā)散度θ、光源直徑D和準直透鏡焦距f之間的關(guān)系。該方程不考慮可能影響準直光束質(zhì)量的其他方面，例如透鏡的形狀因子、圖形誤差或折射表面的粗糙度。方程1顯示了在合成發(fā)散和光收集之間經(jīng)常需要的折衷。圖1概述了一個簡單的準直裝置，并演示了準直光束的端徑如何與所用準直透鏡的端徑相等。圖1：發(fā)散源準直光源的發(fā)散度越小，光源就越適合用于遮擋照明。圖2展示了準直光和發(fā)散光源如何與被檢查對象進行不同的相互作用。圖2：發(fā)散源與準直源發(fā)散源的光線以許多不同的角度撞擊物體的邊緣，從而導致光散射（圖3）。散射光根據(jù)被檢查零件的幾何圖形和材質(zhì)特性（如平滑度和反射率）而變化。這會產(chǎn)生一種效果，即散射光線似乎起源于零件本身的物理邊界內(nèi)。準直光源的光線直接照射到物體上，這大大減少了光散射，并在背景和輪廓之間形成了清晰的邊緣。圖3：從物體邊緣散射的光線在為成像系統(tǒng)選擇合適的透鏡和照明源對時，數(shù)值孔徑是最重要的考慮因素之一。透鏡的數(shù)值孔徑是一個無單位的數(shù)字，用來描述其收集離軸光的能力。方程2表明，源的NA由其散度θ定義。成像透鏡的數(shù)值孔徑可以作為制造規(guī)范的一部分包括在內(nèi)，但也可以使用其F數(shù)的倒數(shù)來估計（如方程3所示）。由于兩者直接相關(guān)，NA也可用于定義成像透鏡的分辨率和景深。為了最大限度地提高成像系統(tǒng)的效率，成像透鏡和光源的數(shù)值孔徑應盡可能接近相等。如果光源的數(shù)值孔徑遠大于透鏡所能處理的孔徑，則可能會遇到散射和雜散光的問題。當透鏡的NA比光源大得多時，圖像可能顯得暗淡并且缺乏足夠的對比度。在遮光照明裝置中，通常使用遠心透鏡作為成像透鏡。由于它們的結(jié)構(gòu)，遠心透鏡的放大率在靠近或遠離物體時保持不變。這使得它們非常適合于遮蔽照明有益的應用，例如測量物體上缺陷的形狀和大小。與標準固定焦距成像透鏡相比，遠心透鏡通常具有更小的數(shù)值孔徑，從而使所選擇的照明更加關(guān)鍵。傳統(tǒng)背光傳統(tǒng)的背光是放置在被檢查物體后面的發(fā)散光源。它們通常是通過將許多小型光源（如LED或隨機定向的光纖）放置在漫射器后面來構(gòu)建的，以創(chuàng)建用于要求較低的遮擋成像設(shè)置的光源。當不需要精確的邊緣檢測時，例如在顯微鏡應用中或?qū)τ诜欠瓷湮矬w，通常使用這些光源。這些傳統(tǒng)背光燈的額外優(yōu)點是價格相對較低，可用性廣，結(jié)構(gòu)較小，易于集成到空間受限的設(shè)備中。圖4：基于光纖的背光由于這些類型的背光將發(fā)散光源與漫射器集成在一起，因此產(chǎn)生的光通常會散射出物體的邊緣。如圖5所示，如果物體是金屬的且具有反射性，則這一點可能特別明顯。圖5：使用傳統(tǒng)背光的物鏡輪廓這種散射會表現(xiàn)為邊緣出現(xiàn)梯度和模糊，這可能會使用戶或軟件很難分辨出物體的邊緣在哪里。大量散射也可能照亮物體的不必要部分，并導致獲取誤導性數(shù)據(jù)。圖6所示的邊緣輪廓具有從亮到暗（從高到低）的相對強度，范圍約為30個像素，物鏡側(cè)面的文字會在數(shù)據(jù)中產(chǎn)生波紋。圖6：使用傳統(tǒng)背光獲得的邊緣輪廓掩蔽背光如果從傳統(tǒng)的發(fā)散背光獲得的輪廓邊緣的散射光對于應用來說是不可接受的，那么增加背光和物體之間的距離將使背光的光線看起來不那么發(fā)散。然而，這并不總是最好的解決方案，因為如果背光太遠，可能會損失太多的光。如果背光太靠近物體，則背光固有發(fā)散的散射效應仍然存在問題。7：傳統(tǒng)背光與掩蔽背光為了遮蔽背光，應使用諸如絨毛紙之類的不透明材料來阻擋背光中不需要的部分。這種方法是有利的，因為它是對光的快速且低成本的修改。缺點是遮罩無法完全消除邊緣散射，并且可能需要為不同大小的對象不斷重新遮罩燈光。當物體在透鏡視場中移動時被檢查的物體也不能有效地被掩蓋。圖8比較了已屏蔽的背光和未屏蔽的背光。圖8：使用傳統(tǒng)背光（左）和遮蔽背光（右）的物體邊緣準直背光類似于傳統(tǒng)背光的結(jié)構(gòu)，準直背光包含不同的發(fā)散光源和漫射器，但具有額外的準直膜以減少背光的發(fā)散。這種薄膜只允許一定角度范圍內(nèi)的光線出射，從而形成一個發(fā)散度較低、輪廓較低的光源。這種集成膜提供了低邊緣散射的優(yōu)點，而無需為不同尺寸的物體遮擋現(xiàn)有背光。圖9：高級照明邊緣照明準直LED背光雖然這些背光并沒有真正準直，但在遮光照明設(shè)置中，這種改進是顯而易見的。圖10是具有更鋒利輪廓邊緣的減少邊緣散射的示例。圖10：高級照明邊緣照明準直LED背光當查看邊的強度輪廓時，會確認干凈邊的外觀。圖11顯示了從亮到暗的過渡過程中更陡的斜率，發(fā)生在大約20個像素上，并且沒有像圖6中那樣受到噪聲的影響。圖11：使用準直背光獲得的邊緣輪廓在邊緣散射令人擔憂的情況下使用準直背光，但空間和預算限制不允許使用遠心照明器。遠心照明器當高精度應用需要最精確的測量時，應將遠心照明器視為光源。遠心照明器的工作原理與遠心成像透鏡類似，但它不是由前光學元件將孔徑光闌投影到無窮遠，而是投影光源。當這兩個光學系統(tǒng)結(jié)合使用時，與前面提到的背光選項相比，它們提供了優(yōu)越的性能和對比度。遠心照明器的主要優(yōu)點是通過其光學設(shè)計實現(xiàn)的高度準直。發(fā)散LED光源集成到組件中，產(chǎn)生準直光線，通常在不到一度的真實準直范圍內(nèi)。這些類型的遠心照明器是通過精確定位一個大的正透鏡和一個小而強大的LED來構(gòu)建的，從而創(chuàng)建一個照明輪廓，該輪廓可以創(chuàng)建清晰的輪廓，并比其他背光方法更好地匹配遠心成像透鏡的NA。圖13顯示了由遠心照明器背光的圖10中的同一物體。該物體沒有表現(xiàn)出從傳統(tǒng)背光中看到的邊緣散射效應，并且與準直背光相比具有更尖銳的邊緣過渡。圖14證實了這種急劇的轉(zhuǎn)變，從亮到暗的斜率發(fā)生在不到10個像素的范圍內(nèi)。圖13：使用遠心背光的物鏡輪廓圖14：使用遠心照明器獲得的邊緣輪廓實現(xiàn)這些高對比度輪廓確實有其缺點。遠心照明器通常在成本上更高并且比先前討論的背光選項大得多。由于遠心透鏡的光學設(shè)計，前元件的尺寸將決定被照射光斑的尺寸。如果需要大視場，則需要大的遠心照明器，從而增加系統(tǒng)的尺寸和重量。此外，源的低NA有助于創(chuàng)建沒有散射效應的圖像，但會使對齊更加困難。如果遠心照明器和透鏡之間的對準甚至偏離一定程度，則照明器產(chǎn)生的光斑將顯得非常暗淡，并且邊緣對比度將降低。圖15顯示了當透鏡和照明器不對齊時，輪廓受到影響的速度有多快。圖15：對準產(chǎn)生的照明點（左）和偏離對準20弧分（右）制造商對遠心照明器的規(guī)范有時可能會導致混淆。當與遠心成像透鏡一起使用時，工作距離值是一個有意義的規(guī)范，因為它描述了透鏡可以正確聚焦的物理距離（或距離范圍）。遠心照明器不會聚焦光線或創(chuàng)建圖像，因此這個數(shù)字通常沒有用處。由于在制作良好的遠心照明器中有效的光收集和準直，光與物體之間的物理距離可以遠大于所述的工作距離。當考慮遠心照明器時，最適用的規(guī)范是準直光束的最大直徑、透鏡的物理尺寸和數(shù)值孔徑。這些規(guī)范為選擇合適的照明和透鏡組合提供了基礎(chǔ)。結(jié)論圖16顯示了同一物體的邊緣輪廓，作為亮背景和暗邊緣之間轉(zhuǎn)換的像素數(shù)的比較。遠心照明器具有最快和最一致的截止，而準直背光具有在