机器视觉中三种主要光源的分析报告.doc

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机器视觉中三种主要光源的分析报告

重庆大学光电工程学院09级测控专业卫瑷宇

前言：

此篇分析报告主要分为五部分，前三部分分别分析了机器视觉中所使用的到的三种主要光源，第四部分对这三种光源进行对比分析，第五部分提出了机器视觉中基于此类光源，可以对检测结果进行优化的方案。

一、LED同轴光源

基本特性：

LED灯具有体积小、能耗小、热量低、亮度高、寿命长、环保及坚固耐用等多种优越性能，是目前最为理想的光源选择，LED同轴光源基于LED灯的基本性质，经加工设计后，发出的光线平行垂直照射，均匀，适用于反射度极高的金属表面以及玻璃等，能够清晰的反映出凹凸物体的表面图像。

图1同轴光源成像示意图

照明原理：

在同轴灯里面安装一块45度半透半反玻璃。

将高亮度，高密度的LED阵列排列在线路板上，形成一个面光源，面光源发出的光线经过透镜之后，照射到半透半反玻璃上，光线先通过全反射垂直照到被测物体上，从被测物体上反射的光线垂直向上穿过半透半反玻璃，进入摄像头。

这样就既消除了反光，又避免了图像中产生摄像头的倒影。

物体所呈现出清晰的图像，并被相机捕获，用于进一步的分析和处理。

配备材料：

若干小型LED光源，一个LED线路板，一个半透半反射镜片，一个凸透镜，一个CCD相机，相机和光源托架，各种连接电缆。

注意事项：

1.因为处理的图像为边缘极细微破损的部位，分辨率要求较高，因此可选用线性CCD相机。

相机的具体性能要求还要再看对精度的要求。

2.安装时，图2中A透镜的位置必须经过多次调试才能确定，因为A透镜的位置对光的路径影响很大，必须经过反复的调整直至达到图3黄色区域的效果时才能进行固定。

3.同轴灯只能接收和物体垂直，也就是和镜头同轴光线，因此不能用来检测有弧度的物体。

图3

图2

适用场合：

由于明亮均匀的照明光源能够覆盖整个视场，因此这套照明光源系统可以成为镜面加工过程中检测刮痕的理想光源。

在工业中，可以用标准的同轴照明光源，检测轴承的边缘及其破损情况。

另外，同轴灯还有一种，就是点光源。

因为点光源是和同轴镜头配合使用。

事实上，只是把上面同轴灯45度半透半反的玻璃，移植到镜头里面去了，所以这时选的是同轴镜头。

二、LED条形光源

图4条形光源成像示意图

基本特性：

将高密度LED阵列放置在紧凑的，成直角且可倾斜的矩形照明单元中。

LED条形光源可提供斜射照明，亮度高。

它的灵活性较大，但调试时也要相对费事一些。

LED条形光源的低角度照射是检测金属表面边缘和突出印刷、破损的理想照明。

照明原理：

将LED以高密度排列在单个条形平面电路板上。

根据其设计特点，条形光源的安装角度可以进行调解，并且可以以任意角度照射在被测物体表面，光线的角度和方向可以完全改变所获取的图像。

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图5

配备材料：

若干小型LED光源，两个条形LED线路板，一个CCD相机，一个相机托架，两个光源托架，各种连接电缆

图6条形光源

适用场合：

条形光源可以用来检测印刷在包装箱上的文字，保鲜膜的破损以及传送带的损伤等。

附：

条形方式成像实例

晶片上刻印字符检测

只有字符清晰的显示。

使用光源：

LDL-74×27

反光曲面上的字符检测

在图像上半部分可以看到当用直射光源（如环形光）时，会产生炫目光。

在下半部分由于采用使用LDL系列，就产生了清晰的图像。

使用光源：

LDL-42×15

读取二维条形码

反光电路板上二维条形码清晰的图像。

使用光源：

LDL定制光源

三、低角度方式照明

图7低角度方式照明示意图

基本原理：

低角度方式照明采用LED环形光源。

与沐光方式用的环形光源不同的是，它更大，安装的角度更低，接近180度。

低角度方式下，光源以接近180度角照明物体，容易突出被检测物体的边缘和高度变化。

适合被测物体边缘检测和表面光滑物体的划痕检测。

图8低角度方式照明效果

配备材料：

若干小型LED光源，两个环形LED线路板及铝制外壳，一个CCD相机，一个相机托架，两个光源托架，各种连接电缆

适用场合：

检测平面和有纹理的表面。

当需要清晰的显示出物体的边缘轮廓，并检查出金属表面边缘的破损情况时，也很适用。

附：

低角度方式成像实例

电池底部刻印字符检测

15mm的WD突出刻印字符。

使用光源：

LDR-75LA-1

一次性相机镜头破损检测

用低角度光突出镜头表面划痕。

使用光源：

LDR-132LA

CD-ROM内环裂痕检测

低角度光源突出裂痕，同时防止图像中出现LED反射镜像。

使用光源：

LDR-74LA

四、三种光源的对比分析

机器视觉中主要使用的三种光源：

同轴光源，条形光源，零度角光源（低角度方式照明）都具有自身的优势和特性。

三种照明方式皆适用于平面物体，且都能检测出物体表面的刮痕和破损。

对于带弧度的物体，需要用到另外的LED光源。

通过对比分析，我们可以看到：

同轴光源设计巧妙，最大的特性是能够作为反射度极高的金属表面以及玻璃的照射光源，在镜面加工工业中，具有不可替代的作用。

在配置过程中，尤其需要注意调节凸透镜和半透半反玻璃的位置。

为了得到最佳的照明效果，应该进行反复的调试。

条形光源最大的特性是灵活性大，可以从多个角度采集图像，获得全方位的图像信息。

对于需要获得全面的表面特征的物体，如检测被测物体是否有光泽，是否有表面纹路时，可以选择条形光源。

零角度光源最大的特性是物体的边缘轮廓显示得非常清晰，重点运用于检查金属边缘的破损情况。

但同时也要注意这种低角度方式照明对光源的散热要求较高，而且会产生极度阴影，选择时可根据实际需要来看。

五、检测结果的优化方案

1.颜色。

我们要检测的物体，大部分是不透明、不发光的物体。

这些物体都具有反射或吸收不同波长的色光的能力，被吸收掉的色光我们是看不见的。

只有反射回来的色光才直接作用于我们的眼睛，所以我们看到的不透明体的颜色是反射光的颜色，这就是“反射色”。

图9所示彩色轮展示了色彩之间的对应情况。

用一种颜色照射它相对的颜色，基本是黑色；照射其它颜色，物体亮度依次增加；照射同样的颜色，可以得到最大的亮度。

所以，适当的选择光源颜色，可以增强图像的对比度。

图9

实例：

图10展示了BGA焊点分别在红色光和蓝色光下的成像实例；在红色光下，芯片中央的条纹依然清晰可见（图中），这为引脚检测引入了一些干扰；在蓝色光下，芯片中央的条纹基本看不见了，仅留下BGA焊点的影像，便于后续检测。

图10BGA焊点的成像实例

2.滤光镜。

消除不必要的数据和噪声可以加快有用信息的处理速度。

滤光镜是一个简单的限制进入相机光线的技术。

常见的滤光镜有偏光镜、波通镜和阻隔镜。

它们的作用类似滤波器，滤掉符合一定条件的信号。

实例：

图11展示了偏光镜消除眩光的一个成像实例。

在相机镜头前添加偏光镜，旋转偏光镜到眩光最小的地方；如果眩光还影响检测，则可以再加一个偏光镜直到图像清晰为止。

图10偏光镜消除眩光的成像实例

注：

部分资料和图片来自网络。

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