为机器视觉系统选择LED光源和控制器—技术与应用频道- 视觉系统设计

机器视觉系统选择LED光源和控制器

选择适当的照明波长、照明拓扑结构和照明控制，在使用LED光源照明时至关重要。

文/Andy Wilson

在指定任何照明系统之前，机器视觉系统开发人员必须仔细考虑他们需要使用何种类型的照明。如果不能正确选择，照明光源可能导致拍摄的图像对比度不足，进而影响机器视觉软件对图像的处理效果。

因为个体在它们的光谱属性、特征和形状方面变化较大，因此理解辐射波长（用于照明被成像物体）将如何被被成像物体反射、传输和吸收至关重要。这将取决于照明光源的波长、光源几何分布以及光源的配置。

例如，利用某一特定颜色的光（如红色）来照明一个物体，其对比色（绿色）将会更容易地被区分开来，因为它们在图像中显示的颜色会更暗。假如绿色是一金属表面上浮雕图案的一部分，那么采用低角度红光照明，将会为成像系统提供高对比度的图像。

跨越整个频谱

目前市场上存在着很多具有不同配置的LED照明产品，其波长跨越从紫外（UV）到红外（IR）的广泛光谱范围。紫外反射成像和紫外荧光成像，是用来检测“更长波长所无法检测的”特性的两种不同的成像技术。在紫外反射成像中，部件的表面用紫外光照明，并用紫外敏感的相机成像；而在紫外荧光成像技术中，入射紫外光被部件中的荧光材料吸收，然后重新辐射出一个更长的波长。

紫外反射成像在检测部件的表面特征方面非常有用，因为紫外光的波长比可见光短，部件的表面特征会对紫外光形成更强烈的反射。这因为如此，表面特征（如划痕等）用紫外光源照明，在紫外反射成像中会变得更加明显。

图1中比较了分别用可见光和紫外光照明印刷电路板（PCB）所获得的成像结果。从图1中可以看出，可见光将PCB的特征和PCB表面上的杂质粒子都照亮了，以至于杂质粒子难以被突出地显现；相比之下，利用紫外光照明，紫外光被PCB板顶层的表面散射，增加了杂质粒子的对比度而抑制了PCB线路的痕迹。

图1：（a）可见光将PCB的特征和PCB表面上的杂质粒子都照亮了；（b）利用紫外光照明，紫外光被PCB板顶层的表面散射，增加了杂质粒子的对比度而抑制了PCB线路的痕迹。

如果部件上的材料在紫外光的照明下能够发射荧光，那么紫外荧光可以用于增强材料的对比度。图2中显示了该技术如何能用于突出轴承上润滑油脂的存在。通过用紫外光照明部件并测量反射的荧光，可以更加容易地看到润滑油脂的存在。

图2：（a）用紫外光照明轴承并测量反射的荧光，能够比用可见光照明（b）更加容易地看到轴承上润滑油脂的存在。

可见光照明

在目前市场上存在着很多具有不同配置的短波长照明系统的同时，也有很多工作在可见光波段的更为常用的LED照明产品。再次强调一下，选择特定的波长（红、绿、蓝、白或是多种波长的组合）来增加部件图像的对比度至关重要。

如同紫外光一样，根据被成像物体的特征不同，其对可见光的反射、透射和吸收程度也不同。当与彩色相机一起使用时，白光LED照明的广泛光谱能够更加准确地区分图像中的各种颜色。

然而在某些应用中，可能只需要检查图像中的特定颜色特征。在这种应用中，选择具有某种特定颜色光的LED照明系统，将能够确保图像中该颜色的对比色会显得更暗。如果使用某一特定频率的照明系统，开发者应该考虑是否被检查的部件会在视觉系统的生命周期内保持一致。如果部件变化，可能需要重新配置照明系统或是使用多光谱LED照明，以至于照明波长可以在检查不同部件时动态地改变。

红外照明

正如紫外光比可见光具有更短的波长、因此更容易被物体的表面特征散射一样，红外光位于光谱的另一端，比可见光具有更长的波长，其能够并进一步透射到一些特定的材料中，如硅半导体晶圆、纸和塑料制品。

正因为如此，红外成像技术尤其适用于那些“需要检测不透明塑料容器中的物质填充水平的”应用。在被检查的产品上带有印刷数据的应用中，利用红外LED照明能够在拍摄的图像中有效地消除这些数据，从而使被检查物体的对比度更加清晰。在图3中，使用红外光照明来消除印刷的日期代码，并突出显示该加热器带，以便进行检查。

图3：在该应用中，使用红外光照明用于消除印刷的日期代码，并突出显示该加热器带，以便进行检查。

照明配置

如同照明波长的选择可以影响被检查物体成像的对比度一样，照明源本身的配置也会影响成像的对比度。幸运的是，现在有很多不同的教程来帮助机器视觉系统开发人员为他们的应用选择正确的照明产品。

例如，在一篇题为“机器视觉照明实用指南”（http://bit.ly/19gCjgg）的白皮书中，Advanced illumination公司（www.advancedillumination.com）介绍了使用不同波长照明光源的效果，并且提供了不同的产品是如何用不同类型的照明配置实现最佳照明的案例。

Microscan公司（www.microscan.com）也提供了一些教程，包括“为机器视觉提供精确照明”（http://bit.ly/1DeRAdW）和“机器视觉的打光”（http://bit.ly/1CbXF9v），教程中介绍了该公司广泛的光源产品，包括背光源、环型光源、面光源、线性光源和穹顶光源，并介绍了每种光源最适合的应用领域。

虽然这些应用笔记和白皮书讨论了一些最常见的现成照明光源；但是照明设备制造商认识到，这些产品并无法满足所有的应用需求。正因为如此，现在大部分照明设备制造商能够采用新颖的配置开发定制的LED光源。例如，美国Smart Vision Lights公司（www.smartvisionlights.com）的一种称为“弯曲线性光源”的产品，在照明瓶子等圆形物体中非常有用；在这种情况下，光可以环绕弯曲的物体表面（见图4）。通过将四个这样的灯连接在一起，圆形物体的整个表面都可以被均匀地照明。

图4：Vision Lights公司的弯曲线性光源，在照明瓶子等圆形物体中非常有用，光可以环绕整个弯曲的物体表面。

为了缓解定制光源的开发工作，美国Spectrum Illumination公司（www.spectrumillumination.com）已经开发出了一种称为“三角模块照明系统”的照明系统。这是一种类似于乐高玩具一样的照明系统，用户既可以单独使用一个三角光源模块作为点光源，也可以根据实际应用，将这些三角光源模块像乐高玩具一样拼接在一起，实现单排/双排/多排直线光源、大面积光源或是环形光源等。因为该照明光源的模块化设计，开发者可以根据需求，创建出L形、U形或S形的照明光源（见图5）。

图5：美国Spectrum Illumination公司开发出了一种称为“三角模块照明系统”的像乐高玩具一样的照明系统，用户既可以单独使用一个三角光源模块作为点光源，也可以将这些三角光源模块拼接在一起，实现单排/双排/多排直线光源、大面积光源或是环形光源等。

照明控制器

不但LED照明器的类型和波长的选择非常重要，照明控制器的选择也同样重要。这些恒流源或者由光源制造商、第三方照明控制器制造商提供，或是直接嵌入到光源中。

是选择集成LED控制器的照明光源，还是选择提供外部LED控制器的光源，也要取决于具体的应用。在一些应用中，可能需要连续照亮一个被检查的产品；而在其他一些应用中，可能需要LED照明器提供闪光式照明来高速捕获图像，或是可能需要多个光源来照亮物体。因此，在某些情况下，集成控制器的LED照明系统可以提供成本和空间的节约；而更复杂的多光源闪光照明系统，可能采用多通道外部电流控制器是更具成本效益的配置。

尽管有许多教程介绍如何部署不同类型的照明配置，但是关于如何选择正确的照明控制器方面的教程却并不多。Gardasoft公司（www.gardasoft.com）提供的名为“LED控制器技术概述和选择”的教程，或许是最具信息量的一个教程（http://bit.ly/1CcNNxV）。

事实上，在过去一年中最新颖的发展之一是Gardasoft公司的Triniti概念。通过在LED光源中集成一个Triniti芯片，CCS America公司（www.ccsamerica.com）和Smart Vision Lights公司允许一个外部Gardasoft控制器来控制光源，例如光源所需要的电流、产生制定亮度所需要的电流和占空比等（见图6）。