光源镜头选择

1、灯光与光学器件灯光与光学器件Tony Wang2学习目标学员将能够正确地识别 灯光的基本用途 哪些类型的灯、镜头和滤色镜最适合各种特殊要求，包括： 透视变形 眩光 同轴采光 物体的移动 Z轴测量 如何增大景深3为什么需要灯光和光学器件？ 有机器视觉经验的人经常会说：“部件的成像在视觉应用中占百分之八十”“无效输入即无效输出”“灯光既是一门科学，也是一门艺术” 的确如此！没有一个好的图像，我们的视觉检测也许会很困难,如果有可能尽量完善。获取好图像的规则51. 获取好的数字分辨率 数字分辨率=像素/毫米取决于CCD中的像素视野（FOV）的大小 视野关注的特征必须填满视野，即，可能最小的视野增加分辨

2、率（像素/毫米）提高测量精度6数字分辨率和精度1 英寸英寸视野视野640 像素像素交叉交叉 多数In-Sight 视觉工具提供1/4 像素精度 FindPatterns 和PatMax提供更高的精度 假设为640像素和1英寸的视野通常： 分辨率 =英寸/像素 理论上1英寸除以 640像素等于0.00156英寸每像素 理论上0.00156英寸每像素除以等于0.00039 精度在现实状态中，您必须处理许多变量，包括移动、 变动、灯光、零件特征、光学畸变和对比度对于更现实的预期，您必须使您计算的精度翻番，并且继续控制尽可能多的变量 如何达到最准确：使用高分辨率相机（1024768 或者更好的1600

3、1200）通过将相机和元件靠得更近来使得视野缩小一半（1/2”）改变光学配置（镜头）创建较小的视野控制尽可能多的变量测试应用的物理设置的可重复性（精密度）和测量准确（精度）72. 进行锐聚焦 确保要检查的特征处于锐聚焦中 对于三维物体的不同部分有时要求不同的聚焦设置 每个镜头聚焦的范围有限，被称作景深8进行锐聚焦 要提高某镜头的景深，就要使光圈变得更小 因为更小的光圈，可能需要增加元件上的光量 更大的光圈级数显示更小的光圈开孔F 16F 293. 避免透视变形 物体离相机越远，通过常规镜头，它看起来越小 对于测量或者高精度应用特别关键104. 保持特征尺寸一致 对于测量或识别应用特别重要115

4、. 取得最大特征对比镜头可以区别的每毫米黑线和白线交替的最大数量镜头按照能力调制传递功能（ modulation transfer function -MTF）区分等级126. 提高均匀照明 避免阴影 如果要检查的特征落在阴影中，可能没有足够的对比度来适当地分析图像 避免饱和 在过量的光被反射回到相机中时出现饱和 可能造成“花晕(blooming)”或者特征“益出”选择镜头选择镜头14选择镜头时的各种因素视野大小 取决于镜头的焦距 还取决于元件大小和元件位置的不确定性景深 在检查三维元件时需要考虑的问题物距 可能由机器设计预先设定所需的特征对比度 由镜头可以区别的每毫米黑线和白线交替的最大数量

5、来表示（MTF-调制传递功能）整体镜头质量（在大部分视野上生成无畸变形图像的能力）15镜头的种类广角镜头 焦距小于标准的50mm。例如：16mm 景深宽，聚焦距离更近远距照像镜头 焦距大于标准：例如：75mm 景深浅，放大远距离物体变焦镜头 焦距有范围，例如：35-70mm微距镜头 图像的大小= 物体的尺寸（1:1）远心镜头 没有透视变形16CCTV镜头 价格便宜 低特征对比（20条线/毫米） 当用于机器视觉时可能需要伸缩管 有大量不同的焦距可供应 适合低光级应用 适合零件的有无和识别 不适合高精度测量17优点： 成本较低 一般利用率较大 更灵活缺点： 放大率因距离变化而变化 透视错误应用：

6、大型物体成像常规镜头18摄影镜头 中等价位 性价比好 特征对比度中等（40-80条线/毫米） 有广角和微距镜头 适合一般检查和定位 景深好19远心镜头 价格中等以上 统一的图像照明 光学上放大倍率不变 在视野上透视连贯 最后的镜头影响因素是视野的大小 镜头一般较长 适合测量各种板上的孔和不同距离的孔20优点：优点： 随着距离的变化放大率一致 没有透视错误缺点：缺点： 费用较高 镜头直径更大 更重 视野有限应用：应用： 测量 基于CCD的测量 显微光刻法远心镜头灯灯 光光22灯光 用途：增强目标特征的对比度 使得前景和背景有截然不同的灰度值 使得阴影最小化 冻结移动物体的动作 提高边线的锐度 消

7、除眩光 您有哪些工具？ 镜头和滤光片 光源和光源的位置 相机不是总能够看到您看到的东西23光源（光源是基准，打光有技巧） 种类：LED、萤光灯、卤素灯（光纤光源)、特殊光源 特点：LED寿命长/可以有各种颜色/便于做成各种复杂形状/光均匀稳定/可以闪光； 萤光灯光场均匀/价格便宜/亮度较LED高； 卤素灯亮度特别高/通过光纤传输后可做成光源是什么光源是什么24照明规则 1、光线太暗会影响视觉系统2、 光线太亮会影响视觉系统3、照明的主要功能是产生光学信号4、减少噪声是照明要解决的主要问题之一5、只有来自于目标并到达镜头的光线才是有效的光线6、进入镜头但非来自目标的光线为杂散光，它降低图像质量7

8、、 来自目标任意点的光线都应填满镜头的入瞳光源选择的注意事项光源选择的注意事项影响因素：相机的光谱响应特性、形状、打光方式（dark field, bright field, low angle, structure light)、 LED器件（颜色、发光角、 亮度、寿命等）、辅助手段（偏光片、滤光片、漫射片等）即结构、光谱、强度、寿命、修正手段、价格等）选择原则：满足应用、综合考虑；理论分析+实验；26灯光：术语镜面反射： 光束以与它们射向表面的同样角度被转向在光泽表面的眩光很难看得见特征平行、扩散、或者直射光 平行光：光束是平行的 在高反射率表有眩光。 扩散：光束来自大量不同的角度 减少眩

9、光 直射：在两者之前的某点27光源的类型卤素灯 燃烧干净，惰性气体 直射光源 优点非常亮可调节 缺点不能频闪很热一段时间后退化 有用提示：在最大电压的80%或左右时运行，提高光源的寿命使得电压恒定，避免更改光的颜色使用光纤传导光线，避免发热28光源的类型白炽灯 部分真空；不使用燃气 直射光源 优点 价格便宜 容易获得 缺点 不能频闪 灯丝易断，沉积在玻璃罩的里面29光源的类型日光灯 两个灯管用于促使气体发光（gas glowing） 扩散光 优点灯管可以制成任何形状或者尺寸减少眩光 缺点一段时间后退化（通常在末端开始）不能频闪很难变暗有频闪 有用提示取得高频率稳压器（a.k.a. 节能稳压器）

10、，减少频闪30光源的类型激光 通过受激发射光扩大 所有光束有完全一样的波长，而且都同相 结构光源（点或面） 优点高度平行二极管激光器可以频闪能够显示三维（Z维度） 缺点价格昂贵颗粒纹理对于大型、易碎玻璃管，需要细心处理安全是个问题31光源的类型发光二极管（LED ） 优点固态 持续时间久，超过1万小时可以频闪单色 缺点强度较低（可以实现较高的强度）一段时间后退化（很少） 有用提示红外线中可以实现高强度在显微应用方面经常用到3233光源的类型氙气闪光灯 含有氙气的玻璃管 优点可以频闪（多数闪光灯属于该类型）短时间内高强度 缺点随着时间的推移降低34 表面是镜反射（光滑并有光泽）还是漫反射（粗糙并

11、且暗淡）？ 表面是否有定向反射比？（以特定的方向反射光） 元件的外表在不同颜色光下会发生变化吗？（变深或者变淡） 元件的表面是扁平的还是三维的？弯曲的？不规则的？蚀刻的？浮雕？凸起？ 元件的表面是稳定的还是会随着时间而发生变化？（生锈、氧化、褪色）灯光方面的考虑35 是否有元件特征 元件特征的尺寸 元件特征的位置和方向 元件特征之间的距离或者角度 元件特征的颜色或者灰度值 元件特征的统一 元件特征中的缺陷或者瑕疵关于元件什么是重要的？36测试灯光技术时 在好、坏边界元件上都要试试技术 有三个位置需要考虑：元件位置光源位置相机位置 考虑其他可能使得该技术很难或者不可能实施的其他环境因素37背光灯

12、看片台38背光:特点超薄尺寸背光，用于外形尺寸检测和纯净度检测。例：玻璃光刻图案检测39背光灯：应用灯丝使用形光灯丝使用背光灯40背光灯：应用注意在该元件上的模糊边线。在元件周围的光“包围圈”可以通过遮罩背光灯或者使背光灯平行来解决。41背光灯优点： 提供元件和背景之间最大的对比。 通过提供元件的轮廓来简化图像。缺点： 表面细节丢失（元件为黑色，背景为白色）。 固定设备中的物体往往不能使用背光。应用： 适用于维度测量，例如测量物体边线或者通孔。提示： 背光灯必须保持干净。 使背光灯平行，以便高精度测量。42结构光激光或者光纤线灯激光或者光纤线灯43结构灯是什么：光被投影成点、圆圈、平面、栅格等

13、等。优点： 测量元件高度/深度的廉价方法 在对比度较低的元件上显示表面形状缺点： 激光费用昂贵，必须适当处理 不适合吸光表面或者有高精度要求的应用应用： 测量连续性特征，例如步长、缝隙、边线 通过观察光在元件上的变形决定元件的高度/深度 对比度较低的元件（灰对灰、金属对金属）提示： 如有可能的话使用光纤线光代替激光。44直向型前光源阴影阴影低角度环形用于需要突出被测物表面凹凸变化轮廓的检测。例：边缘检测46暗视野：应用有环形灯光照明的扳手47暗视野（低角度）：应用有直向型前光源的硬币有低角度照明的硬币48暗视野（低角度）：应用读取印刷在非常光滑的表面上的数据矩阵代码49漫射型前光源优点： 从所

14、有方向提供柔和、均匀的照明。 利于最小化阴影。缺点： 漫射光会略微降低对比度。应用： 有光泽（镜面反射）的金属元件。 可能有阴影问题的三维元件。提示： 修改光的位置以取得不同的效果（暗视野和明视野） 还可能使用管状漫射器和光纤环形灯。50扩散型前光源环形荧光灯环形荧光灯直射环形用于表面平整、不反光的被测物，一般检测难度不高。例：包装盒上文字检测52直向型前光源优点： 泛光或者聚光很容易设置和使用。 直向光在图像中提供最大的对比度。缺点： 三维元件会在聚光中产生阴影。 直向光在光泽元件上造成镜面反射。应用： 使低对比度图像的对比度最大化。 可以使用频闪冻结移动元件的图像。提示： 使用2个或者更多

15、的聚光源最小化阴影。 有时阴影可以用来提高对比度。53同轴灯光50%镀银镜54同轴灯：特色 同轴照明，用于镜面反光物体检测。注意只适合平面物体。55同轴灯光：应用应用：验证塑料接头中是否有金属引线56同轴灯光：应用57同轴灯光优点： 相机正对物体，没有透视变形。 创建一个明视野（镜面反射表面亮，漫射表面黑） 。缺点： 镜子的厚度会产生重像。应用： 在扁平、光泽表面定位缺陷或者瑕疵。 小洞底部的照明。提示： 结合其他光源一起使用，以便填补光源。 以45度角定位镜子，接近元件表面。58多云天气时的照明可行的分束器可行的分束器也被称作帐篷也被称作帐篷/天空天空/圆顶灯光圆顶灯光59 Dome(碗状)

16、光源：特色高亮的无影照明，特别适合曲面物体检测。铸铁外壳，耐冲击，非常适合机械加工现场使用。60圆顶灯：应用用直向型前光源的铝铂密封用CDI的铝铂密封61圆顶灯：应用62圆顶灯照明优点： 完美漫射照明达180o以上（像在多云天气里在室外一样）。 避免在反射性弯曲的表面上产生热点和阴影。缺点： 由于在圆顶上有孔用于观看元件的相机而有盲点。应用： 弯曲有光泽表面，可能有细节，例如螺纹。 金属元件，例如铸件、高尔夫球、任何反射率高不平整的元件。提示： 使用2个或3个环形荧光灯来照亮圆顶。 结合同轴灯光一起使用，来填充盲点。 CDI设备有尺寸各异的现货供用。63漫射光平行光束平行光束磨砂或者喷沙玻璃或

17、者塑料散射光束64漫射光优点： 漫射光更柔软、更均匀，不太可能造成眩光和阴影。 漫射光覆盖区域更大，不会造成热点。缺点： 漫射器使得光强度更低，在使用低强度光源时很关键，例如发光二极管。应用： 背光、同轴光和光泽金属元件的间接光。提示： 根据因漫射而丢失光的多少选择材料。 反射使光弹开，粗糙表面也便使光漫射开。方形漫反射IC等长方形的反光物体检测，提供低角度、均匀柔和的照明环境。例：金属槽的斜面宽度检测环形漫反射用于表面反光的被测物检测，提供多角度、均匀柔和的照明环境。例：易拉罐日期检测67偏振片偏振镜偏振镜分析仪分析仪68偏振片优点： 可以使您将镜面反射和漫反射分开缺点： 由于偏振片，要求更

18、高的光强度 。应用： 控制从有光泽的元件的镜面反射的量。提示： 固定一个偏振片，让另一个转动。 当通过偏振片时，将镜面反射最小化（相互对齐垂直）。69偏光片偏光片70滤光片红色滤色器红色滤色器白色灯白色灯蓝色物体蓝色物体红色背景红色背景颜颜色色紅緑藍琳琅满目的线扫描光源宽视野条形美国Advanced illumination公司专利技术，采用Evenlite光轴对准，精确控制每一颗LED的发光角度。宽视野条形，特别设计不同的发光角度，根本上消除远近距离造成的光线亮度不一致的问题。反面例子说明-选择光源的哪些参数？illumination光源颜色光源颜色彩色图片彩色图片红光效果红光效果蓝光效果蓝光效果绿光效果绿光效果75滤色器优点： 增加彩色场景的对比度。 技术上相对简单、便宜。缺点： 可能要求增加光强度。 根据饱和度，滤光片可能不总是有用。应用： 在场景中增加对比度，物体的颜色与背景的颜色不同，