机器视觉之光源选型技巧——另外一个角度看光源

        关于光源选型，在机器视觉行业里面是一个非常经典的话题。现在我们换个角度来讨论这些问题，试着从理论上来分析，如我们需要什么样的图像，我们的被测物体有什么结构特点和材质特点，我们要检测的内容又有什么特性。这样会给光源的可行性、图像的可行性提供一个重要的参考， 加上一些专业光源产品和专业经验，我们就可能作出一个非常不错的光源方案。

光源应用技巧

反射光的控制

        视觉系统中相机拍到的都是反射光（除采用背光之外）。也就是说相机之所以曝光，都是由于光源照到被测物体，然后反射回来，进入相机，让芯片对应的区域感光。反射光强，则图像越亮，相反反射光弱，图像越暗，当然最极端的就是反射光刚好没有进入摄像头，图像呈黑色。所以光源和相机的相对位置非常重要，也就是我们说的控制反射光的方向。

        如果你的光源安装在一个错误的角度，哪怕光源再亮，图黑的。

        我们在控制光的方向，就是如何让图象呈白色，如何呈黑色，或者说该白的地方白，该黑的地方黑。反射光线的强弱，对应相机里每个像素的亮暗，即灰度值。引用一位前辈的话：

        “Camera do not see objects, they see the light reflected from objects towards them.” ----RVSI General Manager / Marcel Laflamme

期望的图像分析

        我们在做机器视觉时，一切都是基于图像进行处理的。那么我们到底需要什么样的图像呢？这是我们首先要去分析的。什么是我们关心的区域，什么是我们不关心的区域。关心的区域拍成什么颜色，白或黑？背景区域拍成什么颜色？具体来说我们可以从两方面来分析，被测物体分析和检测要求分析。

被测物体分析

        我们对被测物体分析，来确定哪些地方能拍成白色，哪些地方能拍成黑色，或者某些地方既能拍成白色又能拍成黑色。

        1. 机械结构分析

        a) 平面？ 
        b) 曲面？ 
        c) 有高低不平？ 
        d) 有尖锐的过渡还是圆滑过渡？

        2. 材质分析

        a) 金属？ 
        b) 非金属？ 
        c) 金属甲/金属乙？ 
        d) 非金属甲/非金属乙？ 
        e) 金属/非金属？

        3. 表面质量分析

        a) 镜面反射？ 
        b) 漫反射？ 
        c) 介于镜面反射和漫反射之间？ 
        d) 既有镜面反射又有漫反射?

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检测要求分析

        不同检测要求，对于图像的具体要求不一样。总之都是突出要检测部分，消隐其他地方，并且他们之间的明暗差别越大越好。

        1. 表面特征检测：文字,标示（注意区分特征印刷在物体表面、突出或凹于物体之下） 
        2. 尺寸检测：外形尺寸、相对位置、共面度（注意轮廓的真实性和测量基准） 
        3. 表面质量检测：划痕、凹坑、缺角（注意缺陷的尖锐程度和出现缺陷的方向） 
        4. 纯净度检测（注意包装材料的透光性、液体颜色以及杂质的材质） 
        5. 装配检测：装配位置、缺零件、装错零件（注意空间位置的分布和补光、消除反光） 
        6. 色差检测 （注意相机的白平衡，并考虑借助滤镜）

        当然，这里面还需要非常好的光源产品。这里我们就半导体、电子行业的应用，展开讨论一下光源。（以著名的光源厂家———日本Wavecrest产品为例）

多种角度的环形灯

        以连接器为代表的电子产品检测，经常用到环形灯。首先是因为连接器端面多为不平整的小曲面，需要光源从多个角度均匀照射。而连接器的产品尺寸又都很小，要求光源的外形尺寸非常小巧，这一点Wavecrest做得非常不错，最小环形的外径只有34mm。特别是在几个不同角度光源组合使用时，这方面的优越性更加凸显出来。同时，按照LED照射角度细分为，直射环形、带角度环形、低角度环形和水平照射环形（超低角度），颜色红、绿、蓝、白、红外、紫外可选，外径从34mm到206mm。

照射角度灵活的条形灯（四面条形灯）

        可以自由调节角度是条形灯最大的好处。同时还适合细长型物体，如IC等电子元器件的照明。Wavecrest条形灯采用优质LED，机构上精确定位PCB板，有效保证光源照射的方向性。有27mm到1200mm长，3种宽度：2排、3排、6排，共18种尺寸可选。其中对于长度在600mm以上，还特别设计加厚、加宽的铝合金一体式外壳，进一步确保光线的平行效果。IC引脚、文字、表面质量、共面度，料带尺寸检测、料带中的IC检测等等众多检测均可以用条形灯实现。四面条形可以实现全角度的照明，提供更加均匀的照明效果。

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高亮线光源

        采用大功率LED和聚光透镜，非常适合高速线扫描项目，如键盘、铜箔、PCB板等检测。Wavecrest线光源，颜色有红、绿、兰、白可选，单条长度达1.2M。同时也可以配置扩散板，用于宽视野的面阵项目，提供远距离照射。对于连接器的检测，同样可能用到线光源。如连接器端子的间距检测，一般的反射光源照射无法得到端子尖端处和接插件外壳对比度清晰的图像。而使用Wavecrest带透镜的线光源，可只让端子尖端处发光，而背景为黑色，这样就非常容易检测出针间的间距了。

方形漫反射

        采用特殊漫反射材料，形成一个方形区域的均匀照明。它的最大特点是光线均匀和工作距离调节范围大。这一点我们曾在要求非常苛刻的生物应用上做过测试：采用兰色方形漫反射WLFL-S110-B，照射到一块生物芯片上，激发产生特殊的光线，由高分辨率数字相机来接受，从而分析生物芯片的性能。实验证明方形漫反射的均匀性明显优于其他形式的光源。在电子行业来说，适合IC、料带、连接器等方形物体检测。其中Wavecrest方形漫反射产品已在Seagate的硬盘连接器生产中广泛应用。

背光

        众所周知，背光凸显的是物体的轮廓或液体的纯精度，在尺寸检测中也多用到。背光最关键的一个指标就是均匀性，Wavecrest创新采用贴片LED，可最大可能地缩小LED芯片之间的间距，并由于采用导热效果极佳的金属基材的PCB板，在最短的时间内将热量从热源：LED芯片根部传到外壳，并在周围环境中散掉，从根本上确保LED长期稳定的工作。再加上Wavecrest的灵活设计理念，可任意定做发光尺寸。同时，我们建议：有很多正面光源难于检测的物体，不妨用背光试试，或许就有一个既简单又稳定的方案可以实现。

同轴

        内置半透半反玻璃，同轴灯能够用于镜面物体检测，完全消除反光。广泛用于晶圆、LCD、连接器等检测。

Dome光源

        所谓Dome光源就是，通过碗状的光源内部的光线多次漫反射，全角度照明，模拟阴天的太阳光。非常适合曲面物体检测。其中手机按键检测就是一个典型的例子。首先按键的产品种类繁多，且多为曲面，很多还为银白色等亮色背景，反光很厉害，按键的分布也高低不平。为了能得到一个清晰、稳定的图像，就应该从空间的各个角度都有光线照射。而Dome光源正好可以提供这么一个照明，LED不直接照到物体上，而是先照到碗状光源涂有特殊反光材料的内壁上，多次的漫反射，最后把光的方向均匀地从各个角度照下来。Wavecrest在设计Dome光源时还特别配置一个水平照射（超低角度）的环形灯，这样还能加强某些物体表面的细微的特征，如细小划痕和很浅的激光标记。比如树脂盖的内部污点和尺寸检测， 一方面，可以对于盖子内部有光泽的，可以提供柔和的漫反射照明，避免印出LED灯泡，同时可以通过水平照射环形灯加强盖子的轮廓。

定做光源

        针对半导体、电子行业的视觉项目，有很多应用由于空间或者标准光源的效果单一性限制，往往需要定制开发光源系统。Wavecrest在上海成立分公司，为视觉集成商和设备制造商，提供全方位的定制服务，从方案分析、可行性测试、样机试制，到配合整机批量生产，全程提供专业的LED光源解决方案。

        1，AOI三基色光源 
        2，贴片机 专用光源 
        3，PCB板检测光源 
        4，异型光源 
        5，相机、镜头、光源等整套光学系统模块化的开发

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