视觉检测系统照明装置的选择.doc

基于铝箔检测的照明装置选择一、照明光源的概述照明是影响机器视觉系统输入的重要因素，它直接影响输入数据的质量和应用效果，对最终的成像质量有着紧密直接的关系。到目前来看，在机器视觉领域中，照明装置并没有一个标准，为了是达到的效果尽可能达到最好，所以我们要根据不同的应用实例来选取最适合系统的照明设备。看似简单的照明系统是机器视觉最重要的部分，往往好的光源和照明方案是一个系统成败的关键所在。好的设计能够使我们得到一幅好的图像，从而改善系统的分辨率，简化计算机的运算，而不恰当的照明，就会引起各种诸多问题。例如阴影会导致边缘的误检；SNR（信噪比）的下降、照明的不均匀性这两种因素都会增加选择图像处理阈值的难度；光源的方向一旦选错，会使物体出现反射，影响了图像的清晰度。在实际的生产应用中，相比于得到场景的图像，得到一幅适合于机器视觉算法的图像则要难得多。因为我们检测的目标是变化多样的，它们的形状大小也各不相同，检测标准相差甚远，且不同材料反光特性及颜色差别也很大，要想用抑制不需要的特征、突出需要检测的特征的方法来增加对比度并不是一项简单的任务，同时为了使物体位置的变化不影响成像质量，还应该保证足够的整体亮度。本文主要是通过选择合适的照明光源及设计最适合的照明方案来解决此问题。我们要针对特定的物体和场景，设计选取成本低廉、安装简单、照明效果好的照明系统，这是我们搭建机器视觉系统首先需要完成的任务。总体来说，照明光源在机器视觉中起到了至关重要的作用：1、照亮目标，提高亮度；2、将前景区域和背景区域区分开，形成有利于图像处理的成像效果；3、克服环境光的干扰，保证图像稳定性；4、增强目标的边缘清晰度；5、消除阴影和噪声。二、光源类型的选择理想的光源应该是明亮、均匀、稳定的，视觉系统使用的光源主要有：白炽灯、卤素灯、荧光灯、LED（发光二极管）光源。将常用的几种光源的性能与性价比作了比较，如表1、表2所示。表1常见光源的性能对照表名称耗电量（W）工作电压（V）协调控制发热量可靠性使用寿命（h）金属卤素灯100220不易较低低3000霓虹灯500较高高高宜室内3000镁氝灯16W/m220较好较高较好6000日光灯4-100220不易较高低5000-8000冷阴极15W/m需逆变较好较低较好10000钨丝灯15-200220不宜低低3000节能灯3-150220不宜调光低低5000LED灯极低直流12-36V（可用220V）多种形式较低极高10万表2常见光源的性价比对照表名称功率（W）光通（lm）光效（lm/W）寿命（小时）市售价（支）价格（元/lm）白炽灯404801220001.5元0.0031普通荧光灯3620005550003.5-4.0元0.0016-0.002三基色荧光灯2826809610000带镇流器40-60元0.0149-0.0224H形荧光灯9500-54055-608000带镇流器10-12元0.020-00022螺旋节能灯261540608000带镇流器25元0.0162F5白光LED0.0651.3-1.820-28100002.5-5.5元1.9230-3.0556白光LED118181000065元3.6111日本白炽灯607201220000.50美元$0.0007/lm市场荧光灯363500971000010美元$0.0029/lm其中，白炽灯的灯丝一般是用钨制成的，其发光原理是通过在细细的灯丝中传输电流产生光，电流加热灯丝使其产生热辐射。当灯丝被加热到很高的温度时，其辐射在电磁辐射谱线的可见光范围内。为了延长白炽灯的寿命，常常把灯丝放在真空或充有卤素气体为碘或溴的环境中，从而来防止灯丝氧化。比较而言，灯丝在充满卤素气体比在真空中的寿命更长。白炽灯的优点是：1、相对较亮，而且可以产生色温为30003400K的连续光谱；2、白炽灯可以工作在低电压下。缺点是：1、发热严重，强度不够，仅有5左右的能量转换为光，其它都以热的形式散发了；2、寿命短，而且不能用作闪光灯；3、白炽灯的效率低，老化快，随着时间的推移，亮度迅速下降。氙灯是在密闭的玻璃灯泡中充上氙气，其发光原理是氙气被电离产生色温在5500-12000K的非常亮的白光。可以把氙灯分为连续发光的短弧灯、长弧灯以及闪光灯。氙灯可做成每秒200多次的非常亮的闪光灯。对于短弧灯，每次亮的时间可以短至1-20s。氙灯的缺点是供电复杂且昂贵。此外，在几百万次闪光后会出现老化。卤素灯是白炽灯的一种。相比于白炽灯，卤素灯的最大特点就是其玻璃外壳中充有通常是碘或者溴的卤族气体，从而其发光原理也有自己的特点，即在卤素灯灯丝发热时，钨原子在灯丝发热后会将被蒸发，朝着玻璃管壁的方向移动，当靠近管壁时，钨蒸气被冷却到约800度并与卤族元素原子相结合，形成化合物卤化钨。卤化钨继续朝着玻璃管的中央靠近，再次回到被氧化过的灯丝上，由于卤化钨的稳定性很差，其遇热后发生分解形成卤素气体和钨，结果钨在灯丝上再次沉积下来，被蒸发掉的钨得到补偿。所以卤素灯具有简单、成本低廉、亮度很强且容易控制和调整和显色性好的优点，其缺点是卤素灯不能持续发光提供照明，不能满足在线检测对光源的要求。与氙灯相似，荧光灯也是一种气体放电光源，荧光灯也是一种气体放电光源，其原理即电流在氩、氖等惰性元素的气体中激发出水银蒸气导致紫外光的辐射，由于紫外光的作用导致装有惰性气体的管壁上的磷盐涂层发出荧光，即可见光。涂层的不同会产生30006000K范围不同色温的可见光。由于荧光灯是由市电即交流电供电，因此其产生光的闪烁频率与供电频率相同。在机器视觉的应用中，我们会尽量避免图像阴暗的变化，因此要求供电频率不能低于22KHZ。荧光灯的好处在于价格便宜，但是老化快，以及光谱分布的不均匀性也是其明显的不足，甚至在有些频率下，会产生尖峰，因此其还不适合用作闪光灯。发光二极管，即我们通常说的LED，是一种把电转换为光的半导体器件，它采用的是电场发光。其光强与通过LED电流的大小有关。不同的LED材料将发出不同颜色的光，因此我们可以制作红光LED、可见光LED甚至白光LED。其实日常生活中LED上加黄磷图层可将LED内部产生的蓝光转换为白光。LED光源的优点是：1、寿命长，寿命大多超过十万小时；2、由于LED快速的响应，而且几乎不存在老化的现象，因此是作为闪光灯的很好选择；3、由于采用的是直流电进行供电，因此LED的亮度便于我们的控制；4、此外LED的功耗也有很大的优势。虽然它也存在一定的缺点，比如其性能受环境的影响很大，尤其是周围温度的影响，温度变高，LED的性能就会下降，而且寿命也会降低。但是LED如此多的优点使其成为目前机器视觉应用中一种普遍的选择。通过比较，LED光源较其它光源具有以下优点：1、高光效。LED光源的光谱窄，单色性好，几乎所有发出的光都可利用，且无需过滤直接发出色光；2、高节能。LED具有电流小、亮度高、电压低的特性。一个35150瓦的白炽灯发出的光能与一个1012瓦的LED光源发出的光能差不多。可以明显地看出，LED比有着同样照明效果的传统光源要节能8090；3、光色多。可以选择白色或彩色光，而且可以制造出多色组合和循环变色的艳丽灯饰；4、安全性高。上文讲到了可以用低电压来驱动LED光源，而且它无污染，发光稳定，发光频率不到50Hz，没有频闪，没有紫外线B波段，表色/颜体Ra值接近100，色温达到了5000K，是最接近太阳色温（5500K）的一种光源；5、设计形状的多样性。国产LED光源由一个个LED发光管组合的，目前，LED光源还可以被用来设计为芯片光源，所以说相对于其他光源来说，LED光源更容易针对用户的情况来设计光源的形状和尺寸，这种灵活性使得LED光源在工业上广泛应用6、寿命长。LED是通过利用固态半导体芯片，将电能转换为光能的原理，外加环氧树脂封装，所以它可以承受高强度的机械冲击，LED单管寿命10万小时，光源寿命在2万小时以上，而且维护费用低；7、快速响应。LED发光管响应时间很短，如果在采用专用电源给LED光源供电的条件下，最大照度时间可以小于10ms；8、运行成本低。其它光源在耗电量上不仅是LED光源的210倍，而且每月几乎都