機器視覺中的(de)輪廓照明

需要(yào / yāo)精确檢測和(hé / huò)測量邊緣和(hé / huò)小缺陷的(de)機器視覺應用通常需要(yào / yāo)具有挑戰性的(de)照明裝置。爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)最大(dà)限度地(dì / de)提高圖像的(de)重要(yào / yāo)細節和(hé / huò)背景之(zhī)間的(de)對比度，可以(yǐ)考慮使用一(yī / yì ／yí)種稱爲(wéi / wèi)遮擋照明的(de)照明技術。當與高質量遠心成像透鏡結合使用時(shí)，遮光照明設置将減少其他(tā)照明系統中可能出(chū)現的(de)散射效應，允許更準确的(de)邊緣檢測，并提供更好的(de)整體圖像對比度。有四種不(bù)同的(de)照明器有助于(yú)創建輪廓照明：傳統背光、掩蔽背光、準直背光和(hé / huò)遠心照明器。每個(gè)照明器具有不(bù)同的(de)優點和(hé / huò)缺點，根據應用，這(zhè)些優點和(hé / huò)缺點可以(yǐ)被最佳地(dì / de)集成。

發散與數值孔徑

在(zài)概述不(bù)同類型的(de)遮光照明器之(zhī)前，需要(yào / yāo)查看光源和(hé / huò)成像透鏡的(de)發散度和(hé / huò)數值孔徑（NA）。光源的(de)發散度是(shì)光線相對于(yú)其光軸傳播的(de)角度。發散光源是(shì)指其照明輪廓随着遠離初始點而(ér)變大(dà)的(de)光源，很像标準手電筒。如果光源在(zài)向前移動時(shí)看起來(lái)沒有變大(dà)，則該光源被定義爲(wéi / wèi)準直光源，最常見的(de)是(shì)激光器。

當光源的(de)光線相互平行傳播時(shí)，就(jiù)會發生準直光。這(zhè)是(shì)通過使用光學器件來(lái)操縱發散光束，或者通過将發散源放置在(zài)離物體足夠遠的(de)地(dì / de)方，使其在(zài)到(dào)達物體時(shí)看起來(lái)是(shì)準直的(de)來(lái)實現的(de)。通過将發散源定位在(zài)正透鏡的(de)焦點處，光線在(zài)經曆折射後将準直。光源和(hé / huò)所用特定透鏡的(de)尺寸将決定所得光束的(de)準直程度。方程1顯示了(le／liǎo)準直光束中剩餘發散度θ、光源直徑D和(hé / huò)準直透鏡焦距f之(zhī)間的(de)關系。該方程不(bù)考慮可能影響準直光束質量的(de)其他(tā)方面，例如透鏡的(de)形狀因子(zǐ)、圖形誤差或折射表面的(de)粗糙度。方程1顯示了(le／liǎo)在(zài)合成發散和(hé / huò)光收集之(zhī)間經常需要(yào / yāo)的(de)折衷。圖1概述了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)個(gè)簡單的(de)準直裝置，并演示了(le／liǎo)準直光束的(de)端徑如何與所用準直透鏡的(de)端徑相等。

圖1：發散源準直

光源的(de)發散度越小，光源就(jiù)越适合用于(yú)遮擋照明。圖2展示了(le／liǎo)準直光和(hé / huò)發散光源如何與被檢查對象進行不(bù)同的(de)相互作用。

圖2：發散源與準直源

發散源的(de)光線以(yǐ)許多不(bù)同的(de)角度撞擊物體的(de)邊緣，從而(ér)導緻光散射（圖3）。散射光根據被檢查零件的(de)幾何圖形和(hé / huò)材質特性（如平滑度和(hé / huò)反射率）而(ér)變化。這(zhè)會産生一(yī / yì ／yí)種效果，即散射光線似乎起源于(yú)零件本身的(de)物理邊界内。準直光源的(de)光線直接照射到(dào)物體上(shàng)，這(zhè)大(dà)大(dà)減少了(le／liǎo)光散射，并在(zài)背景和(hé / huò)輪廓之(zhī)間形成了(le／liǎo)清晰的(de)邊緣。

圖3：從物體邊緣散射的(de)光線

在(zài)爲(wéi / wèi)成像系統選擇合适的(de)透鏡和(hé / huò)照明源對時(shí)，數值孔徑是(shì)最重要(yào / yāo)的(de)考慮因素之(zhī)一(yī / yì ／yí)。透鏡的(de)數值孔徑是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)無單位的(de)數字，用來(lái)描述其收集離軸光的(de)能力。方程2表明，源的(de)NA由其散度θ定義。

成像透鏡的(de)數值孔徑可以(yǐ)作爲(wéi / wèi)制造規範的(de)一(yī / yì ／yí)部分包括在(zài)内，但也(yě)可以(yǐ)使用其F數的(de)倒數來(lái)估計（如方程3所示）。由于(yú)兩者直接相關，NA也(yě)可用于(yú)定義成像透鏡的(de)分辨率和(hé / huò)景深。

爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)最大(dà)限度地(dì / de)提高成像系統的(de)效率，成像透鏡和(hé / huò)光源的(de)數值孔徑應盡可能接近相等。如果光源的(de)數值孔徑遠大(dà)于(yú)透鏡所能處理的(de)孔徑，則可能會遇到(dào)散射和(hé / huò)雜散光的(de)問題。當透鏡的(de)NA比光源大(dà)得多時(shí)，圖像可能顯得暗淡并且缺乏足夠的(de)對比度。在(zài)遮光照明裝置中，通常使用遠心透鏡作爲(wéi / wèi)成像透鏡。由于(yú)它們的(de)結構，遠心透鏡的(de)放大(dà)率在(zài)靠近或遠離物體時(shí)保持不(bù)變。這(zhè)使得它們非常适合于(yú)遮蔽照明有益的(de)應用，例如測量物體上(shàng)缺陷的(de)形狀和(hé / huò)大(dà)小。與标準固定焦距成像透鏡相比，遠心透鏡通常具有更小的(de)數值孔徑，從而(ér)使所選擇的(de)照明更加關鍵。

傳統背光

傳統的(de)背光是(shì)放置在(zài)被檢查物體後面的(de)發散光源。它們通常是(shì)通過将許多小型光源（如LED或随機定向的(de)光纖）放置在(zài)漫射器後面來(lái)構建的(de)，以(yǐ)創建用于(yú)要(yào / yāo)求較低的(de)遮擋成像設置的(de)光源。當不(bù)需要(yào / yāo)精确的(de)邊緣檢測時(shí)，例如在(zài)顯微鏡應用中或對于(yú)非反射物體，通常使用這(zhè)些光源。這(zhè)些傳統背光燈的(de)額外優點是(shì)價格相對較低，可用性廣，結構較小，易于(yú)集成到(dào)空間受限的(de)設備中。

圖4：基于(yú)光纖的(de)背光

由于(yú)這(zhè)些類型的(de)背光将發散光源與漫射器集成在(zài)一(yī / yì ／yí)起，因此産生的(de)光通常會散射出(chū)物體的(de)邊緣。如圖5所示，如果物體是(shì)金屬的(de)且具有反射性，則這(zhè)一(yī / yì ／yí)點可能特别明顯。

圖5：使用傳統背光的(de)物鏡輪廓

這(zhè)種散射會表現爲(wéi / wèi)邊緣出(chū)現梯度和(hé / huò)模糊，這(zhè)可能會使用戶或軟件很難分辨出(chū)物體的(de)邊緣在(zài)哪裏。大(dà)量散射也(yě)可能照亮物體的(de)不(bù)必要(yào / yāo)部分，并導緻獲取誤導性數據。圖6所示的(de)邊緣輪廓具有從亮到(dào)暗（從高到(dào)低）的(de)相對強度，範圍約爲(wéi / wèi)30個(gè)像素，物鏡側面的(de)文字會在(zài)數據中産生波紋。

圖6：使用傳統背光獲得的(de)邊緣輪廓

掩蔽背光

如果從傳統的(de)發散背光獲得的(de)輪廓邊緣的(de)散射光對于(yú)應用來(lái)說(shuō)是(shì)不(bù)可接受的(de)，那麽增加背光和(hé / huò)物體之(zhī)間的(de)距離将使背光的(de)光線看起來(lái)不(bù)那麽發散。然而(ér)，這(zhè)并不(bù)總是(shì)最好的(de)解決方案，因爲(wéi / wèi)如果背光太遠，可能會損失太多的(de)光。如果背光太靠近物體，則背光固有發散的(de)散射效應仍然存在(zài)問題。

圖7：傳統背光與掩蔽背光

爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)遮蔽背光，應使用諸如絨毛紙之(zhī)類的(de)不(bù)透明材料來(lái)阻擋背光中不(bù)需要(yào / yāo)的(de)部分。這(zhè)種方法是(shì)有利的(de)，因爲(wéi / wèi)它是(shì)對光的(de)快速且低成本的(de)修改。缺點是(shì)遮罩無法完全消除邊緣散射，并且可能需要(yào / yāo)爲(wéi / wèi)不(bù)同大(dà)小的(de)對象不(bù)斷重新遮罩燈光。當物體在(zài)透鏡視場中移動時(shí)被檢查的(de)物體也(yě)不(bù)能有效地(dì / de)被掩蓋。圖8比較了(le／liǎo)已屏蔽的(de)背光和(hé / huò)未屏蔽的(de)背光。

圖8：使用傳統背光（左）和(hé / huò)遮蔽背光（右）的(de)物體邊緣

準直背光

類似于(yú)傳統背光的(de)結構，準直背光包含不(bù)同的(de)發散光源和(hé / huò)漫射器，但具有額外的(de)準直膜以(yǐ)減少背光的(de)發散。這(zhè)種薄膜隻允許一(yī / yì ／yí)定角度範圍内的(de)光線出(chū)射，從而(ér)形成一(yī / yì ／yí)個(gè)發散度較低、輪廓較低的(de)光源。這(zhè)種集成膜提供了(le／liǎo)低邊緣散射的(de)優點，而(ér)無需爲(wéi / wèi)不(bù)同尺寸的(de)物體遮擋現有背光。

圖9：高級照明邊緣照明準直LED背光

雖然這(zhè)些背光并沒有真正準直，但在(zài)遮光照明設置中，這(zhè)種改進是(shì)顯而(ér)易見的(de)。圖10是(shì)具有更鋒利輪廓邊緣的(de)減少邊緣散射的(de)示例。

圖10：高級照明邊緣照明準直LED背光

當查看邊的(de)強度輪廓時(shí)，會确認幹淨邊的(de)外觀。圖11顯示了(le／liǎo)從亮到(dào)暗的(de)過渡過程中更陡的(de)斜率，發生在(zài)大(dà)約20個(gè)像素上(shàng)，并且沒有像圖6中那樣受到(dào)噪聲的(de)影響。

圖11：使用準直背光獲得的(de)邊緣輪廓

在(zài)邊緣散射令人(rén)擔憂的(de)情況下使用準直背光，但空間和(hé / huò)預算限制不(bù)允許使用遠心照明器。

遠心照明器

當高精度應用需要(yào / yāo)最精确的(de)測量時(shí)，應将遠心照明器視爲(wéi / wèi)光源。遠心照明器的(de)工作原理與遠心成像透鏡類似，但它不(bù)是(shì)由前光學元件将孔徑光闌投影到(dào)無窮遠，而(ér)是(shì)投影光源。當這(zhè)兩個(gè)光學系統結合使用時(shí)，與前面提到(dào)的(de)背光選項相比，它們提供了(le／liǎo)優越的(de)性能和(hé / huò)對比度。

遠心照明器的(de)主要(yào / yāo)優點是(shì)通過其光學設計實現的(de)高度準直。發散LED光源集成到(dào)組件中，産生準直光線，通常在(zài)不(bù)到(dào)一(yī / yì ／yí)度的(de)真實準直範圍内。這(zhè)些類型的(de)遠心照明器是(shì)通過精确定位一(yī / yì ／yí)個(gè)大(dà)的(de)正透鏡和(hé / huò)一(yī / yì ／yí)個(gè)小而(ér)強大(dà)的(de)LED來(lái)構建的(de)，從而(ér)創建一(yī / yì ／yí)個(gè)照明輪廓，該輪廓可以(yǐ)創建清晰的(de)輪廓，并比其他(tā)背光方法更好地(dì / de)匹配遠心成像透鏡的(de)NA。圖13顯示了(le／liǎo)由遠心照明器背光的(de)圖10中的(de)同一(yī / yì ／yí)物體。該物體沒有表現出(chū)從傳統背光中看到(dào)的(de)邊緣散射效應，并且與準直背光相比具有更尖銳的(de)邊緣過渡。圖14證實了(le／liǎo)這(zhè)種急劇的(de)轉變，從亮到(dào)暗的(de)斜率發生在(zài)不(bù)到(dào)10個(gè)像素的(de)範圍内。

圖13：使用遠心背光的(de)物鏡輪廓

圖14：使用遠心照明器獲得的(de)邊緣輪廓

實現這(zhè)些高對比度輪廓确實有其缺點。遠心照明器通常在(zài)成本上(shàng)更高并且比先前讨論的(de)背光選項大(dà)得多。由于(yú)遠心透鏡的(de)光學設計，前元件的(de)尺寸将決定被照射光斑的(de)尺寸。如果需要(yào / yāo)大(dà)視場，則需要(yào / yāo)大(dà)的(de)遠心照明器，從而(ér)增加系統的(de)尺寸和(hé / huò)重量。此外，源的(de)低NA有助于(yú)創建沒有散射效應的(de)圖像，但會使對齊更加困難。如果遠心照明器和(hé / huò)透鏡之(zhī)間的(de)對準甚至偏離一(yī / yì ／yí)定程度，則照明器産生的(de)光斑将顯得非常暗淡，并且邊緣對比度将降低。圖15顯示了(le／liǎo)當透鏡和(hé / huò)照明器不(bù)對齊時(shí)，輪廓受到(dào)影響的(de)速度有多快。

圖15：對準産生的(de)照明點（左）和(hé / huò)偏離對準20弧分（右）

制造商對遠心照明器的(de)規範有時(shí)可能會導緻混淆。當與遠心成像透鏡一(yī / yì ／yí)起使用時(shí)，工作距離值是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)有意義的(de)規範，因爲(wéi / wèi)它描述了(le／liǎo)透鏡可以(yǐ)正确聚焦的(de)物理距離（或距離範圍）。遠心照明器不(bù)會聚焦光線或創建圖像，因此這(zhè)個(gè)數字通常沒有用處。由于(yú)在(zài)制作良好的(de)遠心照明器中有效的(de)光收集和(hé / huò)準直，光與物體之(zhī)間的(de)物理距離可以(yǐ)遠大(dà)于(yú)所述的(de)工作距離。當考慮遠心照明器時(shí)，最适用的(de)規範是(shì)準直光束的(de)最大(dà)直徑、透鏡的(de)物理尺寸和(hé / huò)數值孔徑。這(zhè)些規範爲(wéi / wèi)選擇合适的(de)照明和(hé / huò)透鏡組合提供了(le／liǎo)基礎。

結論

圖16顯示了(le／liǎo)同一(yī / yì ／yí)物體的(de)邊緣輪廓，作爲(wéi / wèi)亮背景和(hé / huò)暗邊緣之(zhī)間轉換的(de)像素數的(de)比較。遠心照明器具有最快和(hé / huò)最一(yī / yì ／yí)緻的(de)截止，而(ér)準直背光具有在(zài)大(dà)約兩倍像素量上(shàng)發生的(de)一(yī / yì ／yí)緻斜率。來(lái)自傳統背光的(de)斜率起初具有與準直背光相似的(de)輪廓，但是(shì)由背光的(de)高發散引起的(de)附加散射表明該輪廓難以(yǐ)快速達到(dào)較暗的(de)強度。傳統背光輪廓中的(de)不(bù)一(yī / yì ／yí)緻性來(lái)自于(yú)物體邊緣上(shàng)的(de)文字，該文字由于(yú)較高的(de)邊緣散射而(ér)僅可見，這(zhè)突出(chū)了(le／liǎo)使用傳統背光時(shí)的(de)另一(yī / yì ／yí)個(gè)可能問題

圖16：使用傳統背光（藍色）、準直背光（綠色）和(hé / huò)遠心照明（紅色）獲得的(de)組合邊緣輪廓