为机器视觉应用选择照明方案需要注意的几个问题

适当的照明对机器视觉应用的成功至关重要。如果没有照明，图像将无法显示足够的被检物品的重要特征信息。照明是常见的机器视觉应用解决方案的一个重要部分，这些常见的应用包括产品出厂前检测其是否存在缺陷，或者在产品或包装通过物流环节时，读取产品或包装上的条形码或其他字母数字信息。从事成像和视觉工作的工程师都知道，设计一个可靠的照明解决方案并不是一个简单的命题。市场上有数千种照明选项可供选择，包括卤素灯、白炽灯、荧光灯、紧凑型荧光灯、等离子体型灯、高强度放电（HID）、氙气灯、发光二极管（LED）、光纤和结构光照明等。其中，LED是机器视觉应用中最常见的照明选择，因为它们使用寿命长，可以持续工作，并且可提供多种尺寸、形状和颜色。LED照明选择还涵盖可见光、紫外线（UV）、窄带和宽带可见光和红外（IR）光谱等不同波段的照明。要从如此多的选项中选择合适的照明，重要的是要考虑待成像物体的特征，如大小、形状和颜色；物体、光和相机之间的空间关系；以及光如何被物体和背景反射或吸收。面对这么多需要考虑的事情，也很容易出现疏漏或失误。为了深入了解如何避免或解决照明规划和执行中的一些常见问题，我们邀请了几家光源公司的专家分享了他们针对照明部署的真知灼见。问题1：没有在设计开始时就考虑照明问题许多专家一致认为，部署机器视觉照明最常见的一个问题是：直到设计过程的最后阶段，才去考虑解决照明问题。AdvancedIllumination公司应用支持和内部销售代表BrettThrailkill解释说：“不幸的是，许多用户有一种误解，认为在系统设计过程结束之前，不需要考虑合适的机器视觉照明。这通常会导致成本超支、照明质量低下和生产时间延迟。为了防止这种情况，我们呼吁所有应用工程师在开发过程的早期，就应该考虑照明选项。”CCSAmerica公司技术营销经理LindseySullivan对此表示赞同，他说：“在设计过程的一开始就测试和解决照明问题至关重要。一旦了解了具体应用所需要的照明条件，检测系统的设计就可以考虑到样品的位置、大小、工作距离、灯光的颜色和几何形状等众多因素。”问题2：选择了错误的照明颜色光可以被不同程度地反射或吸收，这取决于光的颜色和被成像的物体。AdvancedIllumination公司表示，通常，与被成像物体颜色相似的照明光，会反射并因此使得被成像物体变亮；而与被成像物体颜色相对的（在色相环中位于180°相对的位置）照明光颜色，会使被成像物体变暗。有时，最好的选择是使被成像物体变暗——尤其是需要阅读印刷在物体上的代码或字母时。比如，用绿光照亮白色信封上的红色印刷代码，将会得到最清晰的代码图像。然而，如果照明的目标是照亮物体或使物体与其背景之间的对比度增强，例如检测传送带上的糖果，那么照亮被成像物体则有优势。这就是为什么工程师们在许多应用中选择白光，包括暖色和冷色，尤其是涉及彩色相机的应用。彩色灯光与单色相机配合使用。“如果产品在未来的迭代中颜色发生变化，白光也会随着时间的推移提供最大的灵活性。”SpectrumIllumination公司副总裁兼设计工程师DavidHardy表示，“例如，被检测的零件是红色或白色，并选择红光照明。但如果稍后添加绿色或蓝色的零件，它可能会显得很暗，因为绿色和蓝色在色相环上与红色处于相对的位置。在这种情况下，最初使用白光会更好，甚至可以使用红外光来去除颜色。”ProPhotonix公司技术总监SimonStanley提供了一个医疗器械行业客户如何解决颜色问题的案例。“客户正在检测不同颜色胶囊上的数据矩阵代码。他们仅限于使用高分辨率单色CognexIn-Sight9000相机，工作在行扫描模式，使用白光线光源照明，结果发现对于一些彩色胶囊，图像没有足够的对比度。”为了解决这个问题，ProPhotonix向该医疗公司提供了RGB-WhiteCOBRAMultiSpecLED，该LED具有单独的颜色和强度控制，工程师可以通过图形用户界面（GUI）对其进行控制。这使他们能够“调整光线以优化整个灰度图像的对比度，从而实现准确的图像采集，而不管胶囊的颜色如何。”该线形光源具有多达12种不同波长的输出，波长范围覆盖365~1650nm。图1：ProPhotonix公司的RGB-WhiteCOBRAMultiSpecLED，具有多达12种不同波长的输出，波长范围覆盖365~1650nm。问题3：没有针对应用环境选择正确的照明SpectrumIllumination公司的Hardy表示，选择照明的另一个常见问题是：在照明选择过程中没有考虑实际生产环境。“我们看到许多客户选择了与生产环境不相匹配的照明方案。例如，在CNC（计算机数控）机器附近使用标准背光灯或圆顶灯；在这种环境中，冷却液会飞溅在灯上，随着时间的推移，会导致内部灯芯腐蚀并最终失效。”在为恶劣环境设计机器视觉应用时，应该优先选择具有更高IP防护等级的光源。SpectrumIllumination公司的IP68Washdown系列LED，是专门针对相对恶劣的应用环境而设计的。该系列包括环形灯、圆顶灯、聚光灯和线形灯。SpectrumIllumination公司2018年推出的最新产品是WashdownMonsterDomeLight，其设计目的是在不损失强度的情况下，消除产品图像中的眩光。图2：Wash-downMonster圆顶灯，属于SpectrumIllumination公司提供的IP68Wash-down系列LED，专为恶劣环境而设计。问题4：没有考虑未来的产品修订或生产环境的变化英国TPLVision公司产品经理JackMcKinley表示，选择柔性照明产品可以降低当前或未来生产环境中的未知因素，对应用可行性造成的风险。TPLVision的客户经常遇到与实验室测试不同的应用条件。因此，“可能需要更高的亮度（通过过驱动产品解决），不同的环境条件可能需要不同的照明设置，或者集成可能与预期不同。这正是灵活性发挥作用的地方。”JackMcKinley说。图3：TPLVision的模块化微型条形灯，专为密闭空间而设计。TPLVision公司的模块化微型条形灯M-TBAR，专为机器人应用等密闭空间而设计，具有高度灵活性。该产品允许用户使用该公司的角度转换器来改变光束角度；角度转换器是一种可用于加宽光束角度的微光学漫射器。该灯还提供闪光灯过驱照明。法国EFFILUX公司的EFFI-FLEX2也提供了高度灵活性，允许工程师调整发射角度、均匀性和操作模式（过驱、可调闪光灯和可调光连续模式）。EFFILUX公司美国销售经理MariannKiraly解释道：“还有各种其他光学配件很容易安装在灯上。这意味着用户可以在不需要购买新灯的情况下，获得不同的照明几何结构，这节省了可能导致项目延误的重新设计工作的资金和时间。”图4：EFFILUX公司的每个EFFI-Flex2LED灯都有三种工作模式：过驱、可调闪光灯和可调光连续模式。在某些应用环境中，低估联机检测所需的速度，也可能导致照明方面的挑战。AdvancedIllumination公司更新了其BL2背光以提高亮度，从而实现更高的吞吐量。这些灯还设计用于可扩展性，可扩展的长度或宽度可达46英寸。它们可以在连续或过驱选通模式下工作。图5：AdvancedIllumination公司的BL2背光源提供可扩展配置，长度和宽度最高可达46英寸。CCSAmerica的Sullivan解释说，照明控制器也具备高度灵活性，特别是在部署多个照明解决方案的情况下。例如，多个灯光同时打开，但强度设置不同，以避免过度曝光图像；或者多个灯光按顺序打开/关闭，以捕捉多个图像。“例如，控制器可以为亮场图像打开平圆顶灯，然后为暗场图像打开低角度灯。”她介绍说。CCSAmerica的PD4系列照明控制器，是为这些类型的情况而设计的，它允许工程师在一个应用程序中为灯编程多达16步的打开/关闭。图6：CCSAmerica的PD4系列照明控制器，配备了全方位的照明控制功能。问题5：忽略了传感器和镜头对照明的影响MetaphaseLightingTechnologies公司销售经理MarkKolvites表示，“照明中的另一个问题是忽略了这样一个事实，即镜头和相机传感器也是拍摄图像的光学路径的一部分，它们可能也会影响所使用的照明方案。例如，相机镜头的角度越宽，视野周围的光学失真就越大，使图像看起来不均匀，即使光线本身可能是均匀的。”这就是为什么Metaphase开发了一种线性条形光源，其末端会比中间部分更亮，以补偿视场周围的镜头图像衰减。Metaphase公司的MultispectralExolaightv2.0光源，最多可覆盖六个波长，包括短波红外（SWIR）光谱。图7：MetaphaseTechnologies的多光谱Exolaightv2.0光源有多种版本，包括R、G、B、W、RGBIR、UV395、IR850、IR940、SWIR、高光谱、多光谱。问题6：没有考虑难以读取的条形码除了制造业中的检测应用之外，机器视觉在物流和仓储等应用领域也面临着大量照明挑战，自动化产线或仓储物流中的条形码扫描就是其中之一。准确读取这些条形码变得越来越复杂，需要一种创造性的照明方法。正如SmartVisionLights公司培训、合规和技术解决方案总监SteveKinney所解释的那样，“今天的扫描门户必须读取单个物品的透明外包装、通过聚乙烯袋查看里面的物品、通过放置在运输标签上的保护透明薄膜、甚至通过放置在托盘上的褶皱包装，来读取物品上的条形码。在这些要求很高的情况下，不仅各种薄膜和包装会导致无法看到要读取的条形码，而且它们的表面也不平整，使成像更加困难。”图8：偏振照明技术允许条形码扫描仪透过塑料薄膜层进行扫描。SteveKinney建议使用偏振照明技术来穿透塑料薄膜层，减少表面眩光。“通过使用交叉偏振，将线性偏振器放置在光源（发射器）上，将另一个旋转线性偏振器连接在相机镜头（接收器）上，来自物品表面的光线被减少，而穿透表面的光能，部分穿过接收偏振器。由于交叉偏振效应减少了来自表面的光，光泽塑料表面的眩光和其他镜面效应也减少了。”SteveKinney解释说。SteveKinney补充道，照明制造商已经开发出具有过驱特性的专业照明产品，“在短时间内，光以稳态电流的倍数工作，以产生更亮的频闪。这允许在门户扫描系统中使用偏振技术以有效工作；同时在高速通过系统时，仍有足够的光用于所需的短曝光期，以在无运动模糊的情况下成像。”这类照明解决方案的一个例子是SmartVisionLights公司的Lightgistics系列。该灯采用双OverDrive技术