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Tecnica di illuminazione per la Machine Vision

L’illuminazione è essenziale per l’elaborazione industriale di immagine. Tipo, colore e intensità dell’illuminazione creano contrasto che definisce ciò che è visibile nell’immagine acquisita. Pertanto, solo condizioni di illuminazione omogenee si traducono in un’acquisizione dell’immagine forte e ripetibile. Evitare condizioni di luce fluttuanti, come la luce del giorno.

Cosa rende la tecnologia dell’illuminazione fondamentale nella Machine Vision industriale?

L illuminazione Machine Vision è una componente fondamentale per creare contrasto e garantire un’elaborazione efficiente di immagine. Senza luce non c’è modo per una camera di “vedere” gli elementi da verificare. L’uso corretto dell’illuminazione a LED crea un contrasto nero su bianco che consente di elaborare un’immagine con un’elevata produttività. Anche la luminosità dell’illuminazione è fondamentale per la Machine Vision. Con una maggiore intensità di luce, l’elaborazione di immagine sarà più forte e ripetibile.
 
Più potenza per …
• … ridurre il tempo di esposizione, eliminando la sfocatura del movimento e limitando l’impatto della luce ambientale.
• … chiudere l’apertura per ottenere una maggiore profondità di campo.

Cos’è luce?

La tecnica di illuminazione emette luce a diverse lunghezze d’onda di diversa intensità. La radiazione emessa dal sole proviene da un’ampia gamma di lunghezze d’onda, dalla luce ultravioletta all’infrarosso. L’illuminazione Machine Vision è disponibile in una gamma di lunghezze d’onda principalmente nello spettro visibile.
Ad esempio, un’illuminazione a luce rossa può avere il suo picco a circa 630 nm, come si può vedere nel grafico. La luce rossa emessa da un LED ha un ampio spettro in cui l’intensità attraverso lo spettro diminuisce dal picco.

L’occhio umano è particolarmente sensibile alle variazioni di colore. Due prodotti dello stesso colore possono apparire in modo diverso rispetto agli occhi dell’utente. Tuttavia, una rigorosa selezione dei bin nella selezione dei LED utilizzati nei prodotti di illuminazione wenglor assicura che la variazione massima della lunghezza d’onda di picco non superi i 10 nm. Il chip di immagine di una camera o di un lettore di codici a barre presenta sensibilità diverse a intervalli di lunghezza d’onda diversi specificati nelle rispettive istruzioni d’uso. Per condizioni di luminosità ottimali, sia la sensibilità del chip di immagine che il tipo di luce devono essere abbinati tra loro. I filtri di blocco esterni possono essere utilizzati per evitare luce estranea. In alcune camere è già installato un filtro.

Come scegliere il giusto colore di illuminazione?

Color Machine Vision consente di rilevare differenze di colore simili a quelle dell’occhio umano. Queste differenze non possono essere riconosciute con la scala di grigi a 256 livelli delle camere monocromatiche. Pertanto, a causa della grande quantità di informazioni, la durata del processo aumenta leggermente quando si utilizzano camere a colori.

In combinazione con le camere monocromatiche, tuttavia, l’uso di sorgenti luminose colorate è fondamentale per definire i valori desiderati della scala di grigi di caratteristiche specifiche per creare contrasto. Pertanto, ad esempio, gli oggetti rossi e verdi vicini appaiono in diverse tonalità di grigio nell’immagine acquisita. Tuttavia, è possibile ottenere un buon contrasto quando si sceglie il colore di sfondo nel colore complementare dell’oggetto illuminato. Ciò aumenta la stabilità di ispezione del sistema di ispezione visiva.

Camera a colori con luce bianca

Camera monocromatica con luce rossa

Camera monocromatica con luce blu

Camera monocromatica con luce verde

Luce bianca
La luce bianca copre l’intero spettro visibile, da circa 380 a 780 nm. I LED bianchi generano luce da una miscela di diverse lunghezze d'onda e sono caratterizzati dalla loro temperatura di colore, che varia, a seconda del modello, da circa 2.800 K (bianco caldo) a 10.000 K (bianco freddo). Grazie all’ampio spettro luminoso, i colori degli oggetti vengono riprodotti in modo realistico e le differenze cromatiche risultano chiaramente visibili. Ciò rende la luce bianca una soluzione di illuminazione versatile per le più svariate applicazioni nell’elaborazione industriale delle immagini.
Luce rossa

La luce rossa si trova nello spettro visibile tra circa 620 e 750 nm ed è spesso utilizzata nell’elaborazione di immagini industriale con una lunghezza d’onda di 630 nm. A causa della lunghezza d’onda più lunga, la luce rossa subisce una diffusione minore rispetto alla luce a onde corte quando incontra piccole particelle presenti nell’aria. In questo modo, il contrasto delle immagini rimane più stabile anche in ambienti polverosi, fumosi o ricchi di vapore.

Inoltre, la luce rossa è adatta per ridurre le fastidiose riflessioni su superfici riflettenti come metallo, vetro o plastica. La stampa scura o nera assorbe di norma in modo significativo la luce rossa, il che consente di rilevare facilmente codici a barre, codici data, numeri di lotto o scritte in chiaro su imballaggi chiari o trasparenti. Per le confezioni rosse, invece, questo effetto è meno pronunciato, poiché anche il substrato riflette fortemente la luce rossa. In questi casi, colori di luce complementari come il verde possono garantire risultati migliori.

Mehrfarbige Stifte als Referenzaufnahme unter Umgebungslicht

Camera a colori con luce bianca

Verschiedenfarbige Stifte unter Rotlicht mit unterschiedlichen Helligkeitskontrasten

Camera monocromatica con luce rossa

Luce blu

La luce blu, con una lunghezza d’onda compresa tra circa 450 e 495 nm, si trova all’estremità a onde corte dello spettro visibile; per le attività di elaborazione di immagini industriale viene spesso utilizzata una lunghezza d’onda di 470 nm. Grazie alla lunghezza d’onda corta, la luce blu consente un’immagine particolarmente dettagliata di strutture sottili. Di conseguenza, è particolarmente adatta per misurazioni ad alta risoluzione e per il rilevamento di spigoli e difetti di piccole dimensioni.

Sulle superfici metalliche lisce o lucidate, la luce blu può inoltre ridurre i fastidiosi riflessi e rendere più evidenti i graffi o altri difetti superficiali. In questo modo è possibile mettere in risalto in modo mirato anche le inclusioni e le bolle presenti nel vetro. Poiché il blu agisce come colore complementare alle tonalità di rosso e arancione, i materiali di colore rossastro o ramato possono essere ulteriormente scuriti e quindi distinguersi meglio dallo sfondo.

Mehrfarbige Stifte als Referenzaufnahme unter Umgebungslicht

Camera a colori con luce bianca

Verschiedenfarbige Stifte unter Blaulicht mit unterschiedlichen Helligkeitskontrasten

Camera monocromatica con luce blu

Metalloberfläche mit Kratzern und DataMatrix-Codes unter Weißlicht

Camera a colori con luce bianca

Metalloberfläche mit Kratzern und DataMatrix-Codes unter Blaulicht

Camera a colori con luce blu

Luce verde

La luce verde, con una lunghezza d’onda compresa tra circa 520 e 570 nm, si trova nella fascia media dello spettro visibile ed è spesso utilizzata nell’elaborazione di immagini industriale con una lunghezza d’onda di 525 nm. Soprattutto nell’ispezione di circuiti stampati ed elettronica, la luce verde può essere utilizzata in modo mirato per l’ispezione visiva automatica (AOI): i circuiti stampati verdi o le vernici anti-saldatura riflettono fortemente la luce, mentre i componenti rossi, i punti di saldatura o i difetti appaiono nettamente più scuri. 

Poiché il verde agisce in modo complementare al rosso, la luce verde è adatta anche per applicazioni nel settore farmaceutico e nell’ispezione alimentare. I difetti rossastri, i segni di pressione o le impronte possono essere messi maggiormente in risalto, mentre le aree verdi o neutre passano in secondo piano.

Mehrfarbige Stifte als Referenzaufnahme unter Umgebungslicht

Camera a colori con luce bianca

Verschiedenfarbige Stifte unter Grünlicht mit verstärkten Helligkeitsunterschieden

Camera monocromatica con luce verde

Luce infrarossa
La luce infrarossa è una luce invisibile con una lunghezza d’onda superiore a 780 nm. Può essere utilizzata, ad esempio, per impedire che gli operatori siano esposti a luce intensa durante l’utilizzo degli impianti. La luce infrarossa è ideale per l’illuminazione di parti in plastica, ma non è adatta per le parti metalliche. I test sono necessari per l’illuminazione di oggetti neri.

In questo esempio vengono esaminati oggetti in plastica di diversi colori. Gli oggetti irradiati con luce infrarossa appaiono bianchi nell’immagine acquisita quando la luce attraversa il materiale e non viene riflessa da esso. Una retroilluminazione a infrarossi è in grado di illuminare gli oggetti anche attraverso un nastro trasportatore opaco.

Camera a colori con luce bianca

Camera monocromatica con luce bianca

Camera monocromatica con luce infrarossa

Luce ultravioletta
La luce ultravioletta (UV) è una luce invisibile con lunghezze d’onda inferiori a circa 380 nm. Alcuni materiali reagiscono con l’illuminazione UV e rilasciano luce visibile che può essere catturata da una telecamera (fluorescenza). Pertanto, è necessario applicare un filtro passa banda sull’ottica della videocamera per garantire che solo la luce generata dalla fluorescenza dell’oggetto colpisca il chip di immagine. La luce UV che genera la fluorescenza non viene lasciata passare.

Senza luce UV

Con luce UV

Qual è l’effetto di un filtro di polarizzazione?

Un filtro di polarizzazione è un accessorio per luci e camere che migliora il contrasto riducendo i riflessi indesiderati e il riverbero. Viene utilizzato principalmente per applicazioni che includono materiali lucidi o trasparenti. I vantaggi della polarizzazione possono essere ottenuti utilizzando una pellicola polarizzante lineare sulla luce combinata con un filtro polarizzante posizionato sulla camera.

Senza filtro di polarizzazione

Con filtro di polarizzazione

Che cos’è la luce UV?

La luce ultravioletta (UV) è una radiazione elettromagnetica con lunghezze d’onda nell’intervallo spettrale da 280 a 400 nm, invisibile all’occhio umano. Quando si combina l’illuminazione UV con una sostanza luminescente (luminofore), la luce emessa dal luminofore è visibile. Questo processo è noto come fluorescenza, in cui la luce viene emessa in risposta all’eccitazione da parte della luce UV.

Le sostanze fluorescenti esposte ai raggi UV le assorbono e le emettono sotto forma di radiazioni visibili ad onda più lunga, tipicamente di colore blu (470 nm) o verde (525 nm). Questa luce emessa può quindi essere utilizzata per l’ispezione visiva.

Come si usa la luce UV?

La luce ultravioletta trova molteplici applicazioni in ambito medico, industriale e commerciale. Viene utilizzato per la disinfezione, il controllo dell’igiene e il riconoscimento degli inchiostri di sicurezza e delle caratteristiche di imballaggio fluorescenti e a prova di manomissione. Le marcature di sicurezza fluorescenti UV servono a contrastare la contraffazione e l’autenticazione dei marchi tramite codici 2D, codici a barre, codici alfanumerici, immagini e grafici. Queste marcature garantiscono l’autenticità dei prodotti e supportano la tracciabilità lungo la catena di fornitura. La fluorescenza delle marcature UV dipende dal tipo di inchiostro utilizzato. Alcuni inchiostri fluoresceno su un ampio spettro di lunghezze d’onda UV, mentre altri riflettono su lunghezze d’onda più specifiche.

Cosa succede quando la luce colpisce una superficie?

Quando si installa un sistema Machine Vision, è necessario considerare come reagiscono i fotoni luminosi quando colpiscono una superficie. È importante mappare il modo in cui la luce raggiungerà la camera. La luce può reagire in cinque modi comuni: riflessione, trasmissione, assorbimento, fluorescenza e diffusione. Tuttavia, un gran numero di effetti si verifica simultaneamente.

Come reagisce la luce ai diversi materiali superficiali?

Riflesso di luce su una superficie brillante

Quando la luce irradia superfici lucide, la maggior parte dei fotoni riflette nello stesso angolo incidente. Tuttavia, anche uno specchio molto lucido riflette circa il 95% della luce incidente.

Comportamento della luce su una superficie tra brillante e opaca

Quando la luce irradia superfici che non sono né altamente lucide né estremamente ruvide, la maggior parte dei fotoni luminosi si diffondono in molte angolazioni diverse. Nonostante la diffusione, la maggior parte dell’intensità della luce seguirà l’angolo incidente riflesso.

Diffusione leggera sulla superficie opaca

Quando la luce irradia superfici molto ruvide o opache, i fotoni luminosi si diffondono. In teoria, una superficie diffusa ideale riflette la luce in tutte le direzioni possibili. In questo caso la massima intensità luminosa segue la normale (90°) alla superficie.

In che modo le diverse forme delle superfici riflettono la luce?

La forma dell’oggetto ispezionato è decisiva per il modo in cui la luce raggiunge la camera per creare contrasto. Nei diagrammi, l’emissione luminosa è semplificata e si presume che la superficie illuminata sia uno specchio perfetto. Le impronte ispezionate sono rappresentative di un codice marcato con puntini, ma semplificate fino a una singola scanalatura.

Le linee blu tratteggiate mostrano la riflessione della luce che raggiunge la camera e viene visualizzata nell’immagine come bianca. Le linee grigie tratteggiate indicano che la luce non raggiunge la camera, creando un’assenza di luce nel campo visivo.

Caratteristica su superficie piana

Posizionando la camera nell’angolo incidente riflesso dell’illuminazione, la maggior parte dei fotoni luminosi raggiunge la camera. Le impronte causano un’assenza di luce che mostra la superficie con un buon contrasto. 

Caratteristica su una superficie curva

Su una superficie curva, la maggior parte dei fotoni luminosi non raggiunge la camera. Per questo motivo, le applicazioni con una superficie curva richiedono normalmente una luce più grande o una luce proveniente da molte direzioni intorno all’oggetto.

Dove devo posizionare l’illuminazione rispetto alla camera?

Varianti di illuminazione ampliate per l’illuminazione con faretti

In combinazione con gli obiettivi adatti, l’illuminazione con faretti LSL consente di implementare altre due soluzioni di illuminazione specializzate che soddisfano diversi requisiti di illuminazione e qualità dell’immagine.

Retroilluminazione con telecentrica

Con gli obiettivi telecentrici è possibile realizzare uno speciale metodo di retroilluminazione. In combinazione con l’illuminazione con faretti LSLx003, l’obiettivo telecentrico si trasforma in una potente controluce telecentrica. Due obiettivi telecentrici sono allineati tra loro e la luce di controluce è posizionata esattamente lungo l’asse ottico della camera.
 
Un tipico esempio di applicazione è la verifica e la misurazione del collo di oggetti come fiale o preforme.
Questo metodo di illuminazione viene utilizzato principalmente per misure precise di oggetti rotondi o trasparenti, nonché per controlli di posizione e presenza o ispezioni superficiali. Soprattutto con materiali trasparenti, come il vetro o la plastica trasparente, la luce parallela cambia direzione quando colpisce l’oggetto attraverso l’obiettivo telecentrico. Poiché l’obiettivo telecentrico della camera riceve solo luce parallela, la luce deviata non entra nella camera, rendendo visibile solo la sagoma dell’oggetto da ispezionare trasparente.

Illuminazione coassiale

L’illuminazione coassiale è uno speciale metodo di illuminazione in cui la luce viene accoppiata assialmente, cioè in linea con l’asse ottico della camera. Tramite uno specchio semitrasparente (beamsplitter) la luce viene diffusa direttamente nel campo visivo della camera e sull’oggetto da controllare. La luce riflessa dalla superficie dell’oggetto passa nuovamente attraverso lo splitter del fascio e viene quindi riportata alla camera, che rileva esclusivamente la luce direzionata e riflessa.
 
Le applicazioni includono il controllo qualità delle superfici piane, il rilevamento di strutture fini e l’ispezione di superfici lucide come metallo, wafer o sensori di immagine.
Questo tipo di illuminazione è l’unico modo per ottenere un’illuminazione a campo chiaro uniforme e priva di ombre sull’intero campo visivo dell’obiettivo (FOV).

Come si crea un’illuminazione omogenea per la camera?

Un’illuminazione uniforme è un requisito fondamentale per ottenere risultati affidabili nell’elaborazione di immagine industriale. Tuttavia, nella pratica, la distribuzione della luce all’interno di un campo visivo spesso non è omogenea. Soprattutto nel caso dell’illuminazione a barre possono verificarsi picchi di intensità localizzati e differenze di luminosità tra le zone centrali e quelle periferiche.

Per compensare questi effetti, con l’effetto curva la distribuzione della luce viene regolata in modo mirato. In tal modo è possibile uniformare la luminosità rilevata dalla camera su tutto il campo visivo.

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    Come viene riflessa la luce da una superficie?

    Quando la luce colpisce una superficie, viene riflessa secondo una distribuzione di Lambert.
    L’intensità della luce riflessa dipende dall’angolo di osservazione.

    Ciò significa che non tutte le aree di una superficie appaiono ugualmente luminose.

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    Come funziona una soluzione di illuminazione tradizionale?

    In un’illuminazione a barre, la luce è costituita da diverse sorgenti luminose singole, ciascuna delle quali segue questa distribuzione.

    Di conseguenza, nella pratica si genera spesso una distribuzione dell’intensità non uniforme su tutto il campo di rilevamento.

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    Come viene rilevata l’illuminazione dalla camera?

    La camera rileva la distribuzione della luce in base all’intensità riflessa.

    In questo caso, può verificarsi una maggiore ponderazione di aree centrali, creando così dei cosiddetti hotspot nell’immagine.

    Queste sovraesposizioni locali non sono rilevabili con un esposimetro e possono compromettere l’analisi dell’immagine. 

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    In che modo l’effetto curva garantisce un’illuminazione uniforme?

    Nell’effetto curva, l’intensità della luce viene regolata in modo mirato utilizzando Angle Changer.

    Regolando la distribuzione della luce è possibile uniformare la luminosità percepita dalla camera su tutta la superficie.

    In questo modo si otterrà un’immagine con un’illuminazione omogenea.

Come viene realizzato concretamente l’effetto curva?

Per creare l’effetto curva, lungo l’illuminazione vengono combinati diversi Angle Changer. Si tratta di speciali diffusori luminosi che vengono applicati sulla parte anteriore dell’illuminazione a barre e che influenzano in modo mirato gli angoli di emissione. A seconda del modello, è possibile ottenere un’illuminazione diffusa, media o ampia.

Al centro dell’illuminazione viene usato un Angle Changer più ampio rispetto alle zone periferiche. In questo modo l’intensità luminosa al centro viene ridotta, mentre le zone periferiche risultano più illuminate.

Si ottiene così una distribuzione uniforme della luminosità su tutto il campo visivo.

Ungleichmäßige Ausleuchtung ohne Kurveneffekt
Homogene Ausleuchtung dank Kurveneffekt

L’influenza dell’effetto curva risulta evidente dal confronto diretto: le immagini di esempio sono state scattate in condizioni identiche, sia senza Angle Changer che con tre Angle Changer inseriti.

  • Nel primo caso, l’illuminazione funziona senza Angle Changer, creando un’illuminazione non uniforme con picchi di intensità al centro.
  • Nel secondo caso vengono utilizzati gli Angle Changer, dove quello centrale presenta un angolo di diffusione maggiore. L’intensità luminosa al centro viene così diffusa maggiormente e gli hotspot vengono ridotti in modo mirato.

L’effetto curva può essere impiegato in applicazioni che sono illuminate nel campo luminoso. È inoltre necessaria una lunghezza sufficiente dell’illuminazione a barre, poiché l’effetto può essere realizzato solo a partire da una lunghezza di 375 mm.

Qual è l’effetto delle diverse modalità operative?

Luce continua

La modalità continua si verifica quando la luce è accesa costantemente o per un periodo di tempo molto più lungo rispetto al tempo di illuminazione della camera. Ad esempio, la luce può essere accesa due secondi prima dell’acquisizione dell’immagine e poi spenta due secondi dopo. 

Il vantaggio più importante della modalità continua è il comfort delle persone nell’ambiente. 

Stroboscopio

Lo strobing della luce significa che i LED del prodotto verranno accesi e spenti tramite un segnale esterno, tipicamente da un PLC/SPS o direttamente dalla camera. Quando si utilizza una luce in modalità stroboscopio, la luce viene accesa per il tempo necessario alla camera per acquisire l’immagine. Ciò significa che la luce è completamente illuminata per tutto il tempo di illuminazione.

Il vantaggio principale della modalità stroboscopio è una maggiore durata dei LED a causa di un minore accumulo di calore nel prodotto. In alcuni casi, specialmente per applicazioni con impianti di illuminazione di grandi dimensioni, il consumo di energia può essere notevolmente ridotto. 
 

Modalità OverDrive stroboscopio

La modalità OverDrive stroboscopica è un termine utilizzato per le luci a LED che consentono il passaggio di una corrente più elevata attraverso i LED in relazione a un duty cicle definito. Tutti i prodotti a LED OverDrive wenglor contengono un’unità di controllo interno per l’applicazione del duty cicle; in questo modo, il prodotto è protetto. 

Oltre ai vantaggi della modalità stroboscopica sopra descritta, la corrente più elevata consente una luminosità più elevata che consente un tempo di illuminazione inferiore e un’apertura ridotta per la camera.

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