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用于机器视觉的照明技术

照明对于工业图像处理至关重要。照明的类型、颜色和强度可形成对比度,从而定义捕获图像中可见的内容。因此,只有均匀的照明条件才能实现稳定且可重复的图像捕获。避免日光等光线条件的波动。

是什么使得照明技术对工业机器视觉变得至关重要?

机器视觉照明是建立有效图像处理对比度的基本组件。没有光线,摄像头就无法”看到”要检测的外形特征。正确使用 LED 照明以产生黑白对比度,可处理高通量成像。照明亮度对于机器视觉同样至关重要。光强度越高,图像处理就越稳定并可重复。
更大的功率可实现:
• 缩短曝光时间,从而消除运动模糊并控制环境光的影响。
• 关闭孔径,从而扩大景深。

什么是光?

通过照明技术可发射不同波长、不同强度的光。太阳辐射的波长范围很广,从紫外光到红外光。机器视觉照明的波长范围主要是在可见光谱范围内。
例如,红光照明的峰值可在 630 nm 左右,如图所示。从 LED 发出的红光光谱较宽,整个光谱的强度沿峰值下降。

人眼对颜色变化特别敏感。两种颜色相同的产品在用户眼中可能会有所不同。但是,在选择 wenglor 照明产品所用的 LED 时,严格的柱形分选可确保峰值波长的最大变化不超过 10 nm。摄像头或条形码扫描器的图像芯片对相应操作说明中规定的不同波长范围的灵敏度不同。为了获得最佳亮度条件,图像芯片灵敏度和光线类型必须相互匹配。可以使用外部阻挡滤光片来避免外部光线。某些摄像头本身已经安装有滤光片。

如何选择适当的照明颜色?

彩色机器视觉可以检测与人眼类似的颜色差异。使用 256 级灰度单色摄像头无法识别这些差异。因此,使用彩色摄像头时,由于信息量大,处理时间会略微增加。

但是,在与单色摄像头结合使用时,彩色光源的使用对于定义特定特征的所需灰度值以产生对比度至关重要。例如,红色和相邻的绿色物体在捕获的图像中以不同的灰度显示。选择被照明物体的互补色为背景颜色可实现良好的对比度。如此提高了机器视觉系统的检测稳定性。
可见光的特征在于其辐射波长约在 380 nm(紫色)至 780 nm(红色)的范围内。例如,将单色摄像头与红光结合使用,摄像头会将红色部分显示为白色,而蓝色部分显示为黑色。

带白光的彩色摄像头

红光单色摄像头

蓝光单色摄像头

绿光单色摄像头

红外光是波长超过大约 780 nm 的不可见光。这对避免操作人员受到强光照射非常有用。红外光最适合用于塑料件,不适合用于金属件。但是,当照明黑色物体时,需要进行测试。

在本例中,对不同颜色的塑料物体进行检测。当使用红外光照明时,物体在采集的图像中显示为白色,此时光线穿过材料,不被材料反射。红外背光甚至可以通过非透明传送带照亮物体。

带白光的彩色摄像头

白光单色摄像头

红外光单色摄像头

紫外(UV)光是不可见的光,波长小于约 380 nm。有些材料在照亮时会与紫外线发生反应,并发出可见光,摄像头可将其检测到(荧光)。因此,必须在摄像头的光学系统上放置一个带通滤光片,确保只有通过荧光产生的物体光到达图像芯片。产生荧光的紫外光是不透射的。

无紫外光

含有紫外光

使用偏振滤光片可产生什么效果?

偏振滤光片作为照明设备和摄像头的配件,可以通过减少眩光和不必要的反射来提高对比度。它主要用于光亮或透明材料等应用。可通过在照明设备上使用线性偏振膜并在摄像头上放置偏振滤光片相结合的方式实现偏振优点。

不带偏振滤光片

带偏振滤光片

光线照射到表面时会发生什么情况?

安装机器视觉系统时,必须考虑光子在照射表面时的反应。务必规划光线到达摄像头的方式。光有五种常见的反应方式:反射、透射、吸收、荧光和扩散,但往往是众多效应同时出现。

光线如何对不同的表面材料做出反应?

光在光亮表面的反射

当光照射光亮表面时,大多数光子以相同的入射角反射。然而,即使是高度抛光的反射镜也是反射大约 95% 的入射光。

光在光亮和哑光之间表面的特性

当光照射的表面既不是高度抛光也不是极其粗糙时,大多数光子会以许多不同的角度散射。尽管散射,但大部分光强度将遵循反射入射角。

光在哑光表面的扩散

当光照射非常粗糙或哑光的表面时,光子会散射。理论上,理想的漫射表面可向所有可能的方向反射光线。在这种情况下,最大光强遵循表面的法线(90°)。

不同形状的表面如何反射光?

被检测物体的形状对于光线到达摄像头以产生对比度的方式起着决定性作用。在以下图中,对光输出进行了简化,并且假定照明表面为完全反射镜面。检验的压痕代表一个带有圆点标记的代码,在此简化为一个凹槽。

蓝色虚线表示到达摄像头的光反射,在图像中显示为白色。灰色虚线表示光线未到达摄像头,因此视场中不存在光线。

平坦表面上的特征

将摄像头放置在照明设备的反射入射角处,大多数光子到达照相机。凹痕会导致无光,以良好的对比度显示表面特征。 

曲面上的特征

在曲面上,大多数光子无法到达摄像头。因此,对于曲面,通常需要更大的照明设备或来自物体周围许多方向的光。

我需要将照明灯置于摄像头的什么位置?

使用不同操作模式的效果是什么?

不变光

连续模式是指灯持续打开或打开时间比摄像头的曝光时间长很多。例如,可在捕获图像前两秒打开灯,然后在捕获图像两秒后关闭灯。

连续模式最重要的优点是环境舒适。 

闪光灯

频闪是指产品的 LED 通过外部信号(通常来自 PLC/SPS 或直接来自摄像头)打开和关闭。在频闪模式下,灯会在摄像头捕获图像期间打开。这意味着在整个曝光时间内光线被完全照亮。

频闪模式的主要优点是 LED 寿命更长,因为产品中积聚的热量更少。在某些情况下,尤其是对于大型照明装置的应用,可以显著降低能耗。 

频闪超速模式

频闪超速模式是用于 LED 灯的术语,相对于定义的占空比,它允许更高的电流通过 LED。wenglor 的所有超速 LED 产品都装有一个用于执行负载循环的内部控制器,从而保护产品。

除了上面列出的频闪模式的优点外,较高的电流还能实现更高的亮度,从而能够缩短曝光时间并缩小摄像头的光圈。

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