工业视觉系统应用技术 课件 第三章 视觉光源方案设计

工业视觉系统应用技术

第三章视觉光源方案设计

学习目标掌握光的本质特性，理解不同材质的光学反射特性及其对成像的影响；了解光源控制技术，掌握触发、调光和频闪等关键控制参数及其工程意义；理解不同照明方式的工作原理、效果特性及适用场景；掌握光源方案设计方法，具备根据检测需求设计针对性照明方案的能力。国内工业视觉光源行业的发展状况1国内企业进军视觉光源领域时间较早，国产化产品占据市场主导地位，以奥普特为代表的一批具有一定规模和技术实力的企业，通过技术创新、产品差异化和市场拓展等手段，不断提升自身的市场份额和品牌影响力。结合人工智能技术，视觉光源将具备更多的智能化功能，以适应不同的检测需求和环境变化，并与其他工业设备和自动化生产线实现更好的集成。2光的反射特性及参数光的反射特性光的反射是一个基本的光学现象，指的是光线碰到一个界面时返回到原介质的过程。反射光会表现出正反射、扩散反射和混合反射等不同类型的反射特性，并遵循特定的物理定律。光的反射特性正反射（也称为镜面反射），是指光线碰到光滑、均匀的表面（如镜面、高精度加工或抛光的金属表面）时，以等角度反射的现象。光的扩散反射又称漫射或漫反射，是指当光线照射到粗糙或不均匀的表面时，反射光线会向各个方向散射。扩散反射会使得照射到物体表面的光线更加均匀，观察到的表面通常没有亮斑或高光，会呈现出一种哑光或无光泽的感觉。光的折射光在不同介质中的速度是不同的，这主要受到介质的光学性质、即介质的折射率影响。折射率是介质中光速相对于真空中光速的比值，当光从一种介质进入另一种介质时，由于折射率不同，光速发生变化，导致光线方向发生改变，这种现象就称为折射现象。光的反射和折射在科学和技术中有着广泛的应用，这些现象被利用在各种设备和系统中，从基本的视觉效应到复杂的光学器件和通信系统，都是基于对反射和折射现象的理解和利用。在自动化和检测系统中，各类视觉检测系统通过反射和折射光线，能准确分析物体表面的缺陷和特征，广泛用于质量控制。光的偏振一般情况下，光波的振动方向是随机分布的。但通过特定的手段，可以使光波的振动方向变得有规律，这种光就是偏振光。光的偏振偏振片是一种可以过滤光的特定振动方向的材料，通过偏振片的光只有一个特定方向的电场振动成分，这样就得到了偏振光。偏振光的这种独特的特性使其在许多领域中具有重要应用，例如利用光的偏振特性来观察矿物晶体结构和生物样品中的微细结构、表面的粗糙度和微观结构、判断材质类型和成分等。光的颜色光是电磁波的一种，它的颜色主要由波长决定，可见光的波长范围大致在400到700纳米(nm)之间，不同波长的光给人类视觉带来不同的颜色感知。光的颜色在计算机科学和数字图像处理中，通常使用三基色颜色模型来对颜色进行编码和处理。RGB模型，即红、绿、蓝三色模型。RGB是目前显示技术（如电视屏幕、计算机显示器和手机屏幕）以及数字图像处理中应用最为广泛的三基色模型。光的颜色CMY模型（青、品红、黄）,CMY是基于三种基色墨（水）的减色混合，通过吸收某些波长的光来反射出其他颜色。HSI模型（色调、饱和度、亮度），HIS是将颜色分解为色调（Hue）、饱和度（Saturation）和亮度（Intensity）。HSV模型（色调、饱和度、明度），HSV模型与HSI模型类似，同样是将颜色分为色调（Hue）、饱和度（Saturation）和明度（Value）。YUV模型（亮度、蓝色差、红色差），YUV是将图像信息分为亮度（Luminance，Y）和色度（Chrominance，U和V）。光强光强，也称为光辐射强度，是指单位立体角内单位时间从点光源辐射出的光通量。光强可以理解为采集设备接收到的光源在空间发射的辐射功率，光强直接影响到成像质量、精度和一致性。光强高光强的光源能在低光情况下提高图像对比度，有助于检测细微的缺陷或特征。但是，光强过大也会对工业视觉系统的成像质量和检测精度带来负面影响。在过曝的图像中，亮区和暗区之间的对比度会降低，难以区分微小的特征和缺陷。与此同时，过曝区域的细节会丢失，图像中的亮区变成纯白色，无法进行有效的图像处理和分析。3光源照射角度和布置光源的照射角度和布置在视觉或影像检测系统中是确保准确度和清晰度的关键因素。正确的光源布置可以减少反射、阴影和过曝等问题，从而提高图像的清晰度和细节表现。正面照射是指光源直接从相机方向照射到被检测物体，这种方式可以减少图像中的阴影，适用于表面平整、反射率低的物体表面打光。侧面照射，顾名思义就是将光源和相机放置在被测物的同一侧，并将光源设置在镜头轴线的侧面，得到投射在物体表面后的正面反射光。根据不同被测表面反光特性和光源的角度位置，侧面照射可以分为低角度照射和高角度照射，分别对应图像明视场和暗视场两种模式。在一些复杂的工业应用中，可以结合使用明视场和暗视场成像，以获得更全面的检测结果，覆盖更广泛的缺陷类型和产品特征。背光照射是光源从物体的背面照射，光线通过物体或在物体边缘形成轮廓。背光照射能够清晰地捕捉到物体的边界，特别适用于测量和检测透明或半透明物体的轮廓、形状、尺寸，以及不透明物体的轮廓和边缘。背光照射常用于识别和分析物体的边缘特征，如裂缝、缺口和毛刺等，还常用于透明或半透明物体的轮廓和内部结构，如用于检测玻璃、塑料等透明或半透明材料的内部结构检测。视觉光源设计视觉光源设计是一个综合考虑多方面因素的过程，需要从光源类型、颜色和波长、照明角度和布置、光强和均匀度、环境适应性、成本效益等多方面进行细致考虑和权衡。视觉光源设计确定光源类型适配需要以应用需求和材料特性为指南，根据检测对象的表面特性和检测任务类型来选择合适的光源类型，如环形光源、条形光源、穹顶光源、背光源等。不同材质有不同的反射特性和检测需求，在项目评估阶段可以灵活选择不同颜色和波长的光源。视觉光源设计红光的波长较长，在很多材质表面上有更好的穿透性和反射特性，常用于金属和非金属表面检测光源；蓝光波长较短，相对于红光和绿光有更好的衍射效应和更高的分辨率，特别适合用于高反光、细节丰富的表面；红外光和紫外光因其独特的波长特性，各自在材料内部检测和特殊标记检测领域中发挥重要作用；白光优势在于光谱范围宽，可以在多种应用场景下提供足够的照明和对比度，白光的丰富频谱能提供充分的细节呈现；此外，白光的均匀照明和完整光谱能够为图像处理算法提供良好的基础数据，在图像分析和后期处理上更有利于后续图像处理和分析。4光源控制器光源控制器可以精确控制光源的亮度、频闪频率、同步等参数，从而优化照明效果，提高系统检测性能。光源控制器的主要功能包括亮度调节、频闪控制、同步控制和光通道控制等。（1）调节亮度利用光源控制器动态调整光源的亮度，可以灵活地控制被拍摄物体的光照强度，适应不同照明条件、场景要求或被测对象的特性，从而获得合适的图像对比度和清晰度。（2）频闪控制频闪控制是指使用电子控制技术来快速切换光源的开关状态，目的是通过控制光源的开启和关闭时间，实现对光照强度和持续时间的精确控制。（3）控制触发和同步同步控制的目的是将光源的频闪或亮暗变化与相机快门等设备的工作过程精确匹配，确保光源在特定时刻能够进行触发，或者与工业相机以及其他传感或伺服设备进行同步操作。（4）通信功能工业视觉光源控制器通常提供了多种通信接口，如以太网、USB、RS232串口通信、WIFI或蓝牙无线通信等，以便与其他设备进行连接和通信。除此以外，工业视觉光源控制器还要具备一定的电气安全和防护设计，配备过载保护、热管理、电源稳定等功能，以确保光源的正常运行和长时间稳定的照明性能。光源控制器通常集成多个功能模块，以实现其复杂而全面的控制功能。微控制器—微控制器是光源控制器的大脑，负责执行所有控制逻辑和运算任务；通信模块—包括RS232、以太网、Wi-Fi、蓝牙等，用于与其他设备或中央控制系统进行数据通信和网络连接控制；传感器接口—用于连接各种类型的传感器，监控工业环境和设备情况，实现自动控制；电源管理模块—转换控制器和传感器所需的电压，通常兼具电源保护功能；驱动模块—包括LED驱动器、调光电路和功率驱动等，可实现稳定的光输出和PWM调