机器视觉灯光选型指南
本文是对来自Advanced Illumination 公司的Daryl Martin 编写的三部分系列中的第一个文档的学习笔记，展示了机器视觉照明概念和理论。
文章目录
- 摘要
- 介绍
- 视觉照明源和光谱含量
- 视觉照明的基石
- 最佳照明解决方案的注意事项
-
- 环境光影响
- 样品/光相互作用
- 颜色分析
- 样品成分和透射率
- 照明技术
-
- 明场与暗场
- 应用领域
- 照明分析序列
- 总结
摘要
照明的质量和适当性是创建强大而及时的视觉检查的关键方面。要设计有效的视觉照明解决方案，除了了解照明类型、技术、几何形状、过滤、传感器特性和颜色之外，您还需要对检测环境进行全面分析，包括样品展示和样品/光相互作用。设计并遵循严格的照明分析序列可提供一致且稳健的环境，从而最大限度地利用时间、精力和资源——这些项目可以更好地用于视觉系统设计、测试和实施的其他关键方面。
介绍
也许视觉系统设计和实施的其他方面没有比照明更能引起更多的延迟、成本超支和普遍的恐慌。从历史上看，照明通常是最后一个指定、开发或资助的方面，如果有的话。这种方法并非完全没有根据，因为直到最近，市场上还没有真正的视觉特定照明，这意味着照明解决方案通常由标准的白炽灯或荧光消费产品组成，并具有不同数量的环境影响。
本指南旨在提供一种标准方法来开发适合样本的照明，而不是停留在理论处理上。它详细介绍了实用框架中的相关方面，并在适用的情况下提供了以下领域的示例：
- 了解照明类型和应用优缺点、视觉相机和传感器量子效率和光谱范围、照明技术及其与表面平整度和表面反射率相关的应用领域
- 熟悉视觉照明的四大基石：几何、图案或结构、波长和滤光片
- 详细分析即时检测环境（物理限制和要求）和 与您的独特样品相关的样品/光相互作用
当您积累并分析了这些领域的信息后，就具体的样品和检验要求而言，您可以实现机器视觉照明分析的主要目标——提供始终满足三个验收标准的适合样品的照明：
- 最大化这些感兴趣特征的对比度
- 尽量减少其他地方的对比度
- 提供稳健性的衡量标准
每次检查都是不同的，因此，例如，满足验收标准 1 和 2 的照明解决方案只有在零件尺寸、形状、方向、放置或环境变量（如环境光贡献）不存在不一致的情况下才可能有效（见图 1）。
视觉照明源和光谱含量
现在机器视觉中常用的光源有荧光灯、石英卤素灯、LED、金属卤化物（汞）和氙气。
荧光灯、石英卤素灯和 LED是机器视觉中使用最广泛的照明类型，尤其适用于 中小型检测站。金属卤化物、氙气和高压钠通常用于大规模应用或需要非常明亮的光源的区域。金属卤化物，也称为汞，常用于显微镜检查，因为它具有许多离散的波长峰，这对荧光研究中滤光片的使用起到了补充作用。氙气光源适用于需要非常明亮的频闪灯的应用。图 2 显示了应用于机器视觉的荧光灯、石英卤素灯和 LED 照明类型的优缺点以及相关选择标准。例如，虽然LED照明的寿命更长，而石英卤素照明可能是特殊检查的选择，因为它提供了更大的强度。
备注：
LED、Quartz Halogen(石英卤素灯)、Fluorescent(荧光灯)、Xenon Strobe(氙气闪光灯)
指标(从上顺势针)：期望寿命、应用灵活性、输出稳定性、成本效益、频闪、连续性、输出亮度、输出温度、面积。
历史上，荧光和石英卤素光源最常用。近年来，LED技术在稳定性、强度和成本效益方面都有所提高；然而，对于大面积照明来说，它仍然没有成本效益，特别是与荧光光源相比。然而，如果应用灵活性、输出稳定性和寿命是重要参数，那么 LED 照明可能更合适。根据确切的照明要求，通常您可以针对特定实施使用多种光源类型，并且大多数视觉专家都认为一种光源类型无法充分解决所有照明问题。
不仅要考虑光源的亮度，还要考虑其光谱内容（图 3）。例如，显微镜应用通常使用全光谱石英卤素、氙气或汞源，尤其是在彩色成像时；然而，单色 LED 光源也可用于黑白 CCD 相机，现在也可用于彩色应用，随着“全色 - RGB”和白色 LED 灯头的出现。
在那些需要高光强度的应用中，例如高速检测，将光源的光谱输出与特定视觉相机的光谱灵敏度相匹配可能会很有用（图 4）。例如，基于CMOS传感器的相机比对应的电荷耦合器件 (CCD) 相机对 IR 更敏感，当使用 IR LED 或富含 IR 的钨源时，在光线不足的检测设置中具有显着的灵敏度优势。
图中，Daytime Sunlight(白天阳光)、Mercury（汞）
横轴为波长，纵轴为相对亮度
横轴为波长，纵轴为绝对QE。
量子效率(QE)：感光芯片将光子转化为电子的效率
详细参考：QE和灵敏度
此外，图 3 和图 4 说明了在选择相机和光源时要考虑的其他几个相关要点：
- 尝试将传感器的峰值灵敏度与光源的峰值波长相匹配，以充分利用其输出。
- 当与窄通滤光片匹配时，窄波长光源（例如单色 LED 或汞）有利于通过战略波长。例如，红色 660 nm 带通滤光片与红色 LED 灯匹配时，可有效阻挡来自头顶荧光灯或汞灯的工厂地板上的环境光。
- 阳光具有原始强度和宽带光谱内容，可以质疑任何视觉检查结果——使用不透明的外壳。
- 尽管您的大脑很擅长解释您的眼睛所见，但人类视觉系统在最终灵敏度和光谱动态范围方面仍严重不足——让您的眼睛看到视觉相机获取的图像。
视觉照明的基石
视觉照明的 4 个基石是：
- 几何——样本、光线和相机之间的 3-D 空间关系
- 结构或图案——投射到样品上的光的形状
- 波长或颜色 - 样品及其直接背景如何对光进行差异反射或吸收
- 滤光片——不同地阻挡和通过波长和/或光方向
了解如何使用四个基石来操纵和增强样品对比度对于满足评估照明质量和稳健性的三个验收标准至关重要。通过几何影响对比度变化涉及移动样本、光线和/或相机位置，直到找到合适的配置。例如，同轴环形灯（安装在相机周围）可能会在半反射条码表面上产生热点眩光，但通过简单地将光移离轴，热点眩光也会移出相机的视野。通过结构或投射在样品上的光形状的对比度变化通常是特定于光头或照明技术的（请参阅本系列第 2 部分中的照明技术部分）。
最佳照明解决方案的注意事项
关于照明环境，在确定最佳照明解决方案时有两个方面需要评估：
（1）即时检查环境和
（2）样品/光相互作用
考虑来自这些评估的所有信息以及可用的光学元件、照明类型、技术和四个基石，以开发符合三个验收标准的适合样本的照明解决方案。
环境光影响
环境光输入的存在会对检测的质量和一致性产生巨大影响，尤其是在使用多光谱光源（如白光）时。最常见的环境因素是头顶的工厂灯和阳光，但偶尔来自其他检查站甚至同一工作单元中的其他站的特定视觉任务照明可能会产生影响。
有三种处理环境光的主动方法：
(1) 短脉冲持续时间的高功率频闪。
(2) 物理外壳。
(3) 带通滤波器。
应用哪种方法取决于许多因素，其中大部分将在后面的部分中详细讨论。高功率选通只会压倒并消除环境影响，但在人体工程学、成本和实施工作方面存在缺点，而且并非所有光源（例如荧光灯）都可以选通。如果您不能使用频闪，并且应用程序需要使用彩色相机，则多光谱白光对于准确的色彩再现和平衡是必要的。在这种情况下，窄波长通滤波器是无效的，因为它会阻挡大部分白光贡献，因此外壳是最佳选择。
然而，这个一般规则也有例外。例如，700 nm 短通滤光片，也称为红外阻隔器，是彩色相机的标准配置，因为红外内容可以改变色彩准确度和平衡，尤其是绿色通道。图 5 说明了使用通滤波器如何非常有效地阻挡环境光，特别是当感兴趣的光是低产量荧光时。
在相机上安装短通滤波器，只让我们需要的的波长通过。
样品/光相互作用
样品表面如何与特定任务和环境光相互作用与许多因素有关，包括表面的总体形状、几何形状、反射率以及其组成、地形和颜色。这些因素的某种组合决定了多少光以何种方式反射到相机，随后可用于采集、处理和测量。例如，一个弯曲的镜面表面，如汽水罐的底部（图 6），与平面漫射表面（如复印纸）不同，反射定向光源。同样，地形表面（例如填充的 PCB）与平坦但纹理精细或有凹痕（图 7）的表面不同，这取决于光类型和几何形状。
颜色分析
材料不同地反射和/或吸收各种波长的光，这种效果对黑白和彩色成像空间都有效。就像颜色反射和表面变亮；相反，相反的颜色吸收并且表面变暗。使用简单的暖色和冷色色轮（图 8），您可以在零件与其背景之间生成不同的对比度（图 9），甚至可以区分颜色零件，给定有限的已知颜色调色板，黑色和白色相机（图 10）。
对于邮戳，绿光对比度最高，白光对比度最低。
只要灯光打的好，不同颜色很容易分开
样品成分和透射率
样本组成可以极大地影响照射到零件上的任务照明会发生什么。一些塑料可能只透射某些波长范围的光，否则是不透明的；有些可能不透射，而是在内部漫射光；还有一些可能会吸收光，只是为了以相同的波长或不同的波长（荧光）重新发射它。荧光标签和染料也常用于印刷行业的油墨中（图 11）。
出于多种原因，红外光的特性可用于视觉检测。首先，IR 光可有效消除基于颜色的对比度差异，主要是因为 IR 光的反射更多地基于样品成分而不是颜色差异。当您需要较低的对比度（通常基于白光的颜色反射）时，您可以使用此属性（参见图 12）。
红外光在穿透聚合物材料方面比短波长（如紫外线或蓝色）更有效，在某些情况下甚至是红色（见图 13）。相反，正是这种穿透深度的缺乏使得蓝光更适用于成像黑色橡胶化合物或激光蚀刻的浅表面特征。
偏振滤光片，当成对使用时，一个在光源和样品之间，另一个在样品和相机之间，通常通过螺纹固定到镜头上，可用于检测其他透明样品中的结构晶格损坏（图 14）。
特别是当用于阻挡样品上的镜面反射时，任何偏振滤光片的使用都会带来固有的妥协。图 15 中描绘的图像展示了偏振滤光片专门用于阻挡眩光的适度有效和高效使用。在图 15a-c 中描绘的示例中，您可以看到从曲面反射的眩光，例如这个个人护理产品瓶，可以控制但不能完全消除（见图 15b 中心区域）。这是因为定向光源在曲面上会产生多个反射方向，而偏振滤光片无法同时阻挡所有振动方向，因此总是会留下一些区域渐晕。在这种情况下，考虑到这样做的灵活性，更有效的眩光控制方法是重新考虑照明几何形状。通过简单地将光线从镜头周围的同轴位置移动到一个相对较高但离轴的位置，您可以完全消除所有镜面反射。相反，对于图 15d-e 中描绘的相对平坦和平面的罐顶表面，您可以在很大程度上去除镜面眩光，生成清晰的图像以供检查。然而，使用双偏振器的一个警告是它们可以显着减少允许的光——在罐顶示例的情况下高达 2 ½ f-stop，这可能不利于高速、光线不足的检查。您可以在很大程度上去除镜面眩光，生成清晰的图像以供检查。
照明技术
照明技术包括背光照明、漫射（也称为全明场）照明、明场（实际上是部分明场或定向）照明和暗场照明。
某些技术的应用需要特定的光线和几何形状，或者相机、样本和光线的相对位置，而其他技术则不需要。例如，标准明场条形灯也可用于暗场模式；而漫射光则专门用于这种情况。
大多数视觉照明产品制造商还提供在同一灯中采用各种技术组合的灯，至少在基于 LED 的品种的情况下，每种技术都可以单独寻址。当许多不同的检查可以在一个站点而不是两个站点中完成时，这种情况允许更大的灵活性并降低潜在成本。如果充分了解每种照明技术的应用条件和局限性，以及检查环境和样品/光相互作用的复杂性，就有可能开发出满足三个验收标准的有效照明解决方案。
明场与暗场
下图说明了圆形定向（部分明场）和圆形暗场灯在镜面上的实现和结果的差异。
暗场照明的有效应用依赖于这样一个事实，即入射到镜面的大部分光线会反射远离而不是朝向相机，否则这些光线会以热点眩光的形式淹没场景。反射回相机的光量相对较少，恰好捕捉到表面上一个小特征的边缘，满足“反射角等于入射角”方程（参见图 21 的另一个示例）。
应用领域
图 22 说明了基于两种最普遍的总体表面特征的不同照明技术的潜在应用领域：
(1) 表面平整度和纹理以及 (2) 表面反射率。
该图绘制了表面反射率，分为三类（无光泽、镜面和混合）与表面平整度和纹理或地形。当您在图表上向右和向下移动时，需要更专业的照明几何形状和结构化照明类型。
正如所料，几何独立区域意味着相对平坦和漫射的表面不需要特定的照明，但任何照明技术都可能是有效的，只要它满足所有其他必要的标准，例如工作距离、访问、亮度和投影图案。
横轴为反射率（无光泽、镜面和混合），纵轴为表面平整度（平坦、不平坦、弯曲）
几何独立区域：Bright Field(明视场)、Dark Field(暗视场)、Diffuse On Axis(分散轴上)、Flat Diffuse(平的扩散)、Diffuse Dome/Cylinder(扩散圆顶/缸)
照明分析序列
以下照明分析序列假设您具备照明类型、相机灵敏度和光学方面的工作知识，并熟悉照明技术和视觉照明的四个基石。您可以将其用作清单，但它绝不是全面的。但是，它确实为标准化方法提供了良好的工作基础，您可以根据检查要求修改和/或扩展该方法。
- 即时检测物理环境
- 物理约束
- 在 3-D 空间（工作空间）中访问相机、镜头和照明
- 工作容积的大小和形状
- 最小和最大相机、照明工作距离和视野
- 零件特性
- 样本是静止的、移动的还是indexed(转位、索引)的？
- 如果移动或索引，速度、进给和预期循环时间？
- 频闪？预期的脉冲率、接通时间和占空比？
- 是否有任何连续或冲击振动？
- 零件的方向和位置是否一致？
- 是否存在环境光污染的可能性？
- 人体工程学和安全性
- 用于操作员交互的人在回路中？
- 与频闪或强光应用相关的安全性？
- 物理约束
- 样品/光相互作用
- 样品表面
- 反射率——漫反射、镜面反射还是混合反射？
- 整体几何形状——平面、弯曲还是混合？
- 质地——光滑、抛光、粗糙、不规则、多重？
- 地形——平坦的、多高度的、角度的？
- 需要光照强度吗？
- 构图和颜色
- 金属、非金属、混合、聚合物？
- 零件颜色与背景颜色
- 透明、半透明或不透明 - 红外传输？
- UV染料，还是荧光聚合物？
- 光污染
- 来自头顶或操作台照明的环境贡献？
- 来自另一个检验站的轻微污染？
- 来自同一检验站的轻度污染？
- 样品表面
- 感兴趣的特征
- 应用照明的四大基石
- 光 - 相机示例几何问题
- 光模式问题
- 样品和背景之间的颜色差异
- 用于包括极化在内的短通、长通或带通应用的滤波器
- 照明技术和类型知识
- 荧光灯对比石英卤素灯对比 LED 对比其他
- 明场、暗场、漫射或背光
- 视觉相机和传感器量子效率和光谱范围
总结
这种深度的分析可以而且经常会导致看似矛盾的方向，妥协是必要的（鱼与熊掌不可兼得）。例如，详细的样品/光相互作用分析可能表明暗场照明技术的使用，但检测环境分析表明光必须远离零件。在这种情况下，在暗场配置中定向的更强烈的线性条形灯可能会产生您想要的对比度，但可能需要更多的图像后处理。
无论分析和理解水平如何，通常都无法替代首先在工作台上实际测试两种或三种灯光类型和技术，然后尽可能在实际实施中进行测试。当从头开始设计视觉检测和零件处理/展示时，最好先准备好照明解决方案，然后围绕照明要求构建其余的检测。
这种详细分析和应用可能被称为照明类型、技术、提示和技巧的“工具箱”的目的是帮助您获得最佳照明解决方案，该解决方案考虑并平衡人体工程学、成本、效率和一致的应用。这有助于您更好地安排时间、精力和资源——这些项目可以更好地用于视觉系统设计、测试和实施的其他关键方面。
参考：
https://www.ni.com/zh-cn/innovations/white-papers/12/a-practical-guide-to-machine-vision-lighting.html