工業(yè)視覺系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

第三章視覺光源方案設(shè)計

學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握光的本質(zhì)特性，理解不同材質(zhì)的光學(xué)反射特性及其對成像的影響；了解光源控制技術(shù)，掌握觸發(fā)、調(diào)光和頻閃等關(guān)鍵控制參數(shù)及其工程意義；理解不同照明方式的工作原理、效果特性及適用場景；掌握光源方案設(shè)計方法，具備根據(jù)檢測需求設(shè)計針對性照明方案的能力。國內(nèi)工業(yè)視覺光源行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r1國內(nèi)企業(yè)進軍視覺光源領(lǐng)域時間較早，國產(chǎn)化產(chǎn)品占據(jù)市場主導(dǎo)地位，以奧普特為代表的一批具有一定規(guī)模和技術(shù)實力的企業(yè)，通過技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品差異化和市場拓展等手段，不斷提升自身的市場份額和品牌影響力。結(jié)合人工智能技術(shù)，視覺光源將具備更多的智能化功能，以適應(yīng)不同的檢測需求和環(huán)境變化，并與其他工業(yè)設(shè)備和自動化生產(chǎn)線實現(xiàn)更好的集成。2光的反射特性及參數(shù)光的反射特性光的反射是一個基本的光學(xué)現(xiàn)象，指的是光線碰到一個界面時返回到原介質(zhì)的過程。反射光會表現(xiàn)出正反射、擴散反射和混合反射等不同類型的反射特性，并遵循特定的物理定律。光的反射特性正反射（也稱為鏡面反射），是指光線碰到光滑、均勻的表面（如鏡面、高精度加工或拋光的金屬表面）時，以等角度反射的現(xiàn)象。光的擴散反射又稱漫射或漫反射，是指當(dāng)光線照射到粗糙或不均勻的表面時，反射光線會向各個方向散射。擴散反射會使得照射到物體表面的光線更加均勻，觀察到的表面通常沒有亮斑或高光，會呈現(xiàn)出一種啞光或無光澤的感覺。光的折射光在不同介質(zhì)中的速度是不同的，這主要受到介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)、即介質(zhì)的折射率影響。折射率是介質(zhì)中光速相對于真空中光速的比值，當(dāng)光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，由于折射率不同，光速發(fā)生變化，導(dǎo)致光線方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象就稱為折射現(xiàn)象。光的反射和折射在科學(xué)和技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，這些現(xiàn)象被利用在各種設(shè)備和系統(tǒng)中，從基本的視覺效應(yīng)到復(fù)雜的光學(xué)器件和通信系統(tǒng)，都是基于對反射和折射現(xiàn)象的理解和利用。在自動化和檢測系統(tǒng)中，各類視覺檢測系統(tǒng)通過反射和折射光線，能準(zhǔn)確分析物體表面的缺陷和特征，廣泛用于質(zhì)量控制。光的偏振一般情況下，光波的振動方向是隨機分布的。但通過特定的手段，可以使光波的振動方向變得有規(guī)律，這種光就是偏振光。光的偏振偏振片是一種可以過濾光的特定振動方向的材料，通過偏振片的光只有一個特定方向的電場振動成分，這樣就得到了偏振光。偏振光的這種獨特的特性使其在許多領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用，例如利用光的偏振特性來觀察礦物晶體結(jié)構(gòu)和生物樣品中的微細結(jié)構(gòu)、表面的粗糙度和微觀結(jié)構(gòu)、判斷材質(zhì)類型和成分等。光的顏色光是電磁波的一種，它的顏色主要由波長決定，可見光的波長范圍大致在400到700納米(nm)之間，不同波長的光給人類視覺帶來不同的顏色感知。光的顏色在計算機科學(xué)和數(shù)字圖像處理中，通常使用三基色顏色模型來對顏色進行編碼和處理。RGB模型，即紅、綠、藍三色模型。RGB是目前顯示技術(shù)（如電視屏幕、計算機顯示器和手機屏幕）以及數(shù)字圖像處理中應(yīng)用最為廣泛的三基色模型。光的顏色CMY模型（青、品紅、黃）,CMY是基于三種基色墨（水）的減色混合，通過吸收某些波長的光來反射出其他顏色。HSI模型（色調(diào)、飽和度、亮度），HIS是將顏色分解為色調(diào)（Hue）、飽和度（Saturation）和亮度（Intensity）。HSV模型（色調(diào)、飽和度、明度），HSV模型與HSI模型類似，同樣是將顏色分為色調(diào)（Hue）、飽和度（Saturation）和明度（Value）。YUV模型（亮度、藍色差、紅色差），YUV是將圖像信息分為亮度（Luminance，Y）和色度（Chrominance，U和V）。光強光強，也稱為光輻射強度，是指單位立體角內(nèi)單位時間從點光源輻射出的光通量。光強可以理解為采集設(shè)備接收到的光源在空間發(fā)射的輻射功率，光強直接影響到成像質(zhì)量、精度和一致性。光強高光強的光源能在低光情況下提高圖像對比度，有助于檢測細微的缺陷或特征。但是，光強過大也會對工業(yè)視覺系統(tǒng)的成像質(zhì)量和檢測精度帶來負面影響。在過曝的圖像中，亮區(qū)和暗區(qū)之間的對比度會降低，難以區(qū)分微小的特征和缺陷。與此同時，過曝區(qū)域的細節(jié)會丟失，圖像中的亮區(qū)變成純白色，無法進行有效的圖像處理和分析。3光源照射角度和布置光源的照射角度和布置在視覺或影像檢測系統(tǒng)中是確保準(zhǔn)確度和清晰度的關(guān)鍵因素。正確的光源布置可以減少反射、陰影和過曝等問題，從而提高圖像的清晰度和細節(jié)表現(xiàn)。正面照射是指光源直接從相機方向照射到被檢測物體，這種方式可以減少圖像中的陰影，適用于表面平整、反射率低的物體表面打光。側(cè)面照射，顧名思義就是將光源和相機放置在被測物的同一側(cè)，并將光源設(shè)置在鏡頭軸線的側(cè)面，得到投射在物體表面后的正面反射光。根據(jù)不同被測表面反光特性和光源的角度位置，側(cè)面照射可以分為低角度照射和高角度照射，分別對應(yīng)圖像明視場和暗視場兩種模式。在一些復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用中，可以結(jié)合使用明視場和暗視場成像，以獲得更全面的檢測結(jié)果，覆蓋更廣泛的缺陷類型和產(chǎn)品特征。背光照射是光源從物體的背面照射，光線通過物體或在物體邊緣形成輪廓。背光照射能夠清晰地捕捉到物體的邊界，特別適用于測量和檢測透明或半透明物體的輪廓、形狀、尺寸，以及不透明物體的輪廓和邊緣。背光照射常用于識別和分析物體的邊緣特征，如裂縫、缺口和毛刺等，還常用于透明或半透明物體的輪廓和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如用于檢測玻璃、塑料等透明或半透明材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測。視覺光源設(shè)計視覺光源設(shè)計是一個綜合考慮多方面因素的過程，需要從光源類型、顏色和波長、照明角度和布置、光強和均勻度、環(huán)境適應(yīng)性、成本效益等多方面進行細致考慮和權(quán)衡。視覺光源設(shè)計確定光源類型適配需要以應(yīng)用需求和材料特性為指南，根據(jù)檢測對象的表面特性和檢測任務(wù)類型來選擇合適的光源類型，如環(huán)形光源、條形光源、穹頂光源、背光源等。不同材質(zhì)有不同的反射特性和檢測需求，在項目評估階段可以靈活選擇不同顏色和波長的光源。視覺光源設(shè)計紅光的波長較長，在很多材質(zhì)表面上有更好的穿透性和反射特性，常用于金屬和非金屬表面檢測光源；藍光波長較短，相對于紅光和綠光有更好的衍射效應(yīng)和更高的分辨率，特別適合用于高反光、細節(jié)豐富的表面；紅外光和紫外光因其獨特的波長特性，各自在材料內(nèi)部檢測和特殊標(biāo)記檢測領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用；白光優(yōu)勢在于光譜范圍寬，可以在多種應(yīng)用場景下提供足夠的照明和對比度，白光的豐富頻譜能提供充分的細節(jié)呈現(xiàn)；此外，白光的均勻照明和完整光譜能夠為圖像處理算法提供良好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在圖像分析和后期處理上更有利于后續(xù)圖像處理和分析。4光源控制器光源控制器可以精確控制光源的亮度、頻閃頻率、同步等參數(shù)，從而優(yōu)化照明效果，提高系統(tǒng)檢測性能。光源控制器的主要功能包括亮度調(diào)節(jié)、頻閃控制、同步控制和光通道控制等。（1）調(diào)節(jié)亮度利用光源控制器動態(tài)調(diào)整光源的亮度，可以靈活地控制被拍攝物體的光照強度，適應(yīng)不同照明條件、場景要求或被測對象的特性，從而獲得合適的圖像對比度和清晰度。（2）頻閃控制頻閃控制是指使用電子控制技術(shù)來快速切換光源的開關(guān)狀態(tài)，目的是通過控制光源的開啟和關(guān)閉時間，實現(xiàn)對光照強度和持續(xù)時間的精確控制。（3）控制觸發(fā)和同步同步控制的目的是將光源的頻閃或亮暗變化與相機快門等設(shè)備的工作過程精確匹配，確保光源在特定時刻能夠進行觸發(fā)，或者與工業(yè)相機以及其他傳感或伺服設(shè)備進行同步操作。（4）通信功能工業(yè)視覺光源控制器通常提供了多種通信接口，如以太網(wǎng)、USB、RS232串口通信、WIFI或藍牙無線通信等，以便與其他設(shè)備進行連接和通信。除此以外，工業(yè)視覺光源控制器還要具備一定的電氣安全和防護設(shè)計，配備過載保護、熱管理、電源穩(wěn)定等功能，以確保光源的正常運行和長時間穩(wěn)定的照明性能。光源控制器通常集成多個功能模塊，以實現(xiàn)其復(fù)雜而全面的控制功能。微控制器—微控制器是光源控制器的大腦，負責(zé)執(zhí)行所有控制邏輯和運算任務(wù)；通信模塊—包括RS232、以太網(wǎng)、Wi-Fi、藍牙等，用于與其他設(shè)備或中央控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)連接控制；傳感器接口—用于連接各種類型的傳感器，監(jiān)控工業(yè)環(huán)境和設(shè)備情況，實現(xiàn)自動控制；電源管理模塊—轉(zhuǎn)換控制器和傳感器所需的電壓，通常兼具電源保護功能；驅(qū)動模塊—包括LED驅(qū)動器、調(diào)光電路和功率驅(qū)動等，可實現(xiàn)穩(wěn)定的光輸出和PWM調(diào)