1、機器視覺系統中的光源、概述光源是機器視覺系統中重要的組件之一，一個合適的光源是機器視覺系統正常運行的必備條件。因此，機器視覺系統光源的選擇是非常重要的。使用光源的目的是將被測物體與背景盡量明顯分別，獲得高品質、高對比度的圖像；將運動目標凝固在圖像上；增強待測目標邊緣清晰度；消除陰影；抵消噪聲。機器視覺有三大技術即采 像技術，處理技術，運動控制技術，而采像技術離不開光源，光源的選擇及其性能直接影響系統的成敗，影響處理精度和速度。 所以光源在機器視覺系統中起到了舉足輕重的作用。為機器視覺系統選擇光源時，最基本是要考慮亮度、光源的位置、表面紋 理與形狀、魯棒性、色彩等因素，只有光源在滿足生產管理或是

2、質量檢測時對于這些因素的要求，才能獲取清晰的圖像資料， 作為準確的數據信息供工作人員使用。因此，選擇光源時要考慮的這些因素，可以說是最基本的因素，是判斷光源是否可用的 依據。然而，機器視覺系統光源的種類比較繁多，想要達到更佳的效果，就要在確保可用的基礎上，具體到選擇合適的種類。二、光源的評價要素1）對比度對比度對機器視覺來說非常重要。機器視覺應用的照明的最重要的任務就是使需要被觀察的特征與需要被忽略的圖像特 征之間產生最大的對比度，從而易于特征的區分。對比度定義為在特征與其周圍的區域之間有足夠的灰度量區別。好的照明應 該能夠保證需要檢測的特征突出于其他背景。2）魯棒性魯棒性就是對環境有一個好的

3、適應。好的光源需要在實際工作中與其在實驗室中的有相同的效果。3）亮度當選擇兩種光源的時候，最佳的選擇是選擇更亮的那個。光源的亮度不夠，必然要加大光圈，從而減小了景深。4）均勻性均勻性是光源一個很中要的技術參數。均勻性好的光源使系統工作穩定。5）可維護性可維護性主要指光源易于安裝，易于更換。6）壽命及發熱量光源的亮度不易衰減過快，這樣會影響系統的穩定，增加維護的成本。發熱量大的燈亮度衰減快，光源的壽命也會受到 很大影響。三、機器視覺系統中的光源的種類3.1光源種類目前的機器視覺系統光源市場，最為常見的光源主要有高頻熒光燈、光纖鹵素燈以及LED燈三種。高頻熒光燈就是我們日常生活中所使用的熒光燈，其

4、使用壽命約1500- 3000小時，相對處于中等水平。高頻熒光燈擴散性好，比較適合于進行大面積均勻的照射，但是響應速度慢、亮度較暗是其最大的弊端。因此，在其應用方面 比較適合于獲取低標準大面積圖像；光纖鹵素燈是鹵素燈與光纖導管的有效結合，是由光纖導管將鹵素燈泡所產生的強光，轉 向被測物進行照明。鹵素燈亮度高，但響應速度慢、壽命短、不具備光亮度和色溫的變化，適應亮度要求高，但檢測項目較少 的應用；LED光源采用的是由多個LED燈以某一特定形狀組合起來對被測物進行照明的方式，這是目前被普遍采用的照明方式，應用范圍比較廣。3.2 LED光源種類熒光燈亮度以及穩定性太差決定了在許多機器視覺系統中被淘汰

5、，鹵素燈價格昂貴、使用壽命太短，使應用無法達到普 及，而LED光源以穩定性強、使用壽命長等性能優勢得到了廣泛的應用。同時，LED光源因為是由LED燈組合而成的，因此按照其結構不同又有了不同的分類。1）環形光源環形光源也俗稱光管、日光燈管，其光源采用1。作為發光體。傳統的日光燈管又稱熒光燈。利用不同照射角度、不同顏色組合對被測物體整體進行照明，更能突出物體的三維信息。高密度LED陣列，高亮度，解決了對角照射的陰影問題。圖1環形光源燈兩端各有一燈絲，燈管內充有微量的氬氣和稀薄的汞蒸氣，燈管內壁上涂有熒光粉，兩個燈絲之間的氣體導電時發出 紫外線，使熒光粉發出可見光。1。燈管有很多優點，一般用于普通照

6、明，寫字樓，商場，酒樓，學校，家庭，工廠等室內照明。發光原理：PN結的端電壓構成一定勢壘，當加正向偏置電壓時勢壘下降，P區和N區的多數載流子向對方擴散。由于電子遷移率比空穴遷移率大得多，所以會出現大量電子向P區擴散，構成對？區少數載流子的注入。這些電子與價帶上的空穴復合，復合時得到的能量以光能的形式釋放出去。這就是PN結發光的原理。2）背光源采用高密度LED陣列面提供高強度背光照明，是突出物體最明顯的一種照明光源，適合作為顯微鏡的載物臺，對機械零 件尺寸的測量，膠片污點的檢測以及透明物體劃痕檢測等。由于傳統LCD顯示設備上CCFL（Cold Cathode Fluoresce nt Lamps

7、，冷陰極熒光燈）背光技術及產品的某些先天不 足，例如色域狹窄、能源利用率低其功耗較高和壽命短小等，所以人們一直在尋找著其替代技術及產品，而在這個過程中，LED背光技術產品便被納入了人們的選用范疇。從發光原理上來看，由于LED是由數層很薄的摻雜半導體材料制成，一層帶有過量的電子，另一層則缺乏電子而形成帶 正電的“空穴”，工作時電流通過，電子和空穴相互結合，多余的能量則以光輻射的形式被釋放出來ED正是根據這樣的原 理實現電光的轉換，又根據半導體材料物理性能的不同，LED可發出從紫外光到紅外光不同光譜下不同顏色的光線，特別是LED不能發出白光的技術問題解決之后，為LED在顯示領域的應用奠定了根本性的

8、基礎。采用LED為液晶電視的背光源，最主要目的是提升畫質，特別是色彩飽和度上，LED背光技術的顯示屏可以取得足夠寬的色域，彌補液晶顯示設備顯示色彩數量不足的缺陷，使之能達到甚至超過AdobeRGB和NTSC色彩標準要求，可以達到NTSC ratio 100%以上，其中索尼推出采用LED背光的液晶電視面板，特別強調鮮紅和 深綠的表現，可顯示較以往的方式更為逼真的顏色。同時因為LED的平面光源特性，使LED背光還能實現CCFL無法比及的分區域的色彩和色度調節功能，從而實現更加精確的色彩還原性，以適應平面出版和圖 形設計工作的需要，畫面的動態調整可以使得在顯示不同畫面時，亮度與對比可以動態修正，以達

9、到更好的畫質。另外，LED作為背光源的優點是可以取代color filter的使用。以三色RGB LED采用色序法（colorseque ntial）技術，利用人類視覺暫留的特性，達到全彩的效果，因此可以取代彩色濾光片。當然，這必須配合液晶的反應 速度才能達到。不過要達到此境界，仍有許多困難必須克服。不過LED背光模塊也不是沒有缺點，耗電量的問題仍然是LED背光模塊必須克服的重要課題。由于采用較多的LED，除 了耗電量增加之外，也導致溫度升高的問題，因此也必須增加冷卻系統與傳感器來解決此問題，因此在厚度上顯得較采用CCFL背光的產品來得厚。盡管LED背光技術有著很多優點，但是其同樣也有著難以回

10、避的普及應用難點，首先來說，應用了這種新技術的產品在價格方面還不具優勢，再者， LED技術掌握在少數廠商手中為其普及帶來困難，最后就是該項技術自身的原因，LED背光技術在發光效率、電流控制和散熱上還不是做的很好，從長遠的趨勢來看，LED背光技術 作為一種替換型的技術產品存在肯定會慢慢的普及開來，而根據相關的行業預期，這種大面積應用應該在2008年。當然隨著 三星、LG的新面板技術的快速發展，其也有可能提前大面積應用。3）同軸光源：可以消除物體表面不平整引起的陰影，最大程度的減少干擾。基本特性：LED燈具有體積小、能耗小、熱量低、亮度高、壽命長、環保及堅固耐用等多種優越性能，是目前最為理想的光源

11、選擇，LED同軸光源基于LED燈的基本性質，經加工設計后，發出的光線平行垂直照射，均 勻，適用于反射度極高的金屬表面以及玻璃等，能夠清晰的反映出凹凸物體的表面圖像。照明原理：在同軸燈里面安裝一塊45度半透射半反射玻璃。將高亮度，高密度的LED陣列排列在線路 板上，形成一個面光源，面光源發出的光線經過透鏡之后，照射 到半透射半反射玻璃上，光線先通過全反射垂直照到被測物體 上，從被測物體上反射的光線垂直向上穿過半透射半反射玻璃， 進入攝像頭。這樣就既消除了反光，又避免了圖像中產生攝像頭的倒 影。物體所呈現出清晰的圖像，并被相機捕獲，用于進一步的分 析和處理。適用場合：由于明亮均勻的照明光源能夠覆蓋

12、整個視場，因此這 套照明光源系統可以成為鏡面加工過程中檢測刮痕的理想光源。在工業中，可以用標準的同軸照明光源，檢測軸承的邊緣及其破損情 況。4）點光源另外，同軸光源還有一種，就是點光源。大功率LED，體積 小，發光強度高，可替代光纖鹵素燈。因為點光源是和同軸鏡頭 配合使用。事實上，只是把上面同軸燈面去了，所以這時選的是同軸鏡頭。圖2同軸光源成像示意圖45度半透射半反射的玻璃，移植到鏡頭里5圖2同軸光源成像示意圖45度半透射半反射的玻璃，移植到鏡頭里XD圖3條形光源成像示意圖XD基本特性：將高密度LED陣列放置在緊湊的，成直角且可傾斜的矩形照明單元中。LED條形光源可提供斜射照明，亮度高。它的靈

13、活性較大，但調試時也要相對費事一些。LED條形光源的低角度照射是檢測金屬表面邊緣和突出印刷、破損的理想照明。照明原理：將LED以高密度排列在單個條形平面電路板上。根據其設計特點，條形光源的安裝角度可以進行調解，并 且可以以任意角度照射在被測物體表面，光線的角度和方向可以完全改變所獲取的圖像。適用場合：條形光源可以用來檢測印刷在包裝箱上的文字，保鮮膜的破損以及傳送帶的損傷等。6）低角度方式照明基本原理：低角度方式照明采用LED環形光源，與環形光源不同的是，他更大，安裝的角度更低，接近180度。低角度方式下，光源以接近180度角照射物體，容易突出被檢測物體的邊緣和高度變化。適合被測物體邊緣檢測和表

14、面光滑物體的劃痕檢測。配備材料：若干小型LED光源，兩個環形LED線路板及鋁制外殼，一個CCD相機，一個相機托架，兩個光源托架，各種連 接電纜適用場合：檢測平面和有紋理的表面。當需要清晰的顯示出物體的邊緣輪廓，并檢查出金屬表面邊緣的破損情況時， 也很適用。圖5低角度方式照明效果圖5低角度方式照明效果圖4低角度方式照明圖四、機器視覺中主要使用三種光源機器視覺中主要使用的三種光源：同軸光源，條形光源，零度角光源（低角度方式照明）都具有自身的優勢和特性。 三種照明方式皆適用于平面物體，且都能檢測出物體表面的刮痕和破損。對于帶弧度的物體，需要用到另外的LED光源。同軸光源設計巧妙，最大的特性是能夠作為反射度極高的金屬表面以及玻璃的照射光源，在鏡面加工工業中，具有不 可替代的作用。在配置過程中，尤其需要注