机器视觉照明光源技术要点分析

机器视觉照明光源技术要点分析

摘要：目前，机器视觉技术已经广泛应用在各种领域。照明光源在机器视觉系统中非常关键，它直接关系着原始图像的质量，进而影响机器视觉系统的整体处理效果。基于此，本文首先介绍了机器视觉照明光源系统的发展现状，接着介绍了其照明光源，然后研究了机器视觉照明技术，最后展望了LED照明光源技术。

关键词：机器视觉；照明；光源；要点

机器视觉系统通过相机及摄像机等进行目标图像信号的采集，并利用图像处理软件处理目标图像信号，通过计算机实现对目标的跟踪、检测、识别及判断，最终检测出产品缺陷。在机器视觉系统中，程序算法和图像质量会影响其质量和处理速度，其中图像质量主要由摆放物体的位置、目标表面情况及光源来决定。优质的光源可以将目标突出，有助于计算机对高质量图像的分析和处理。所以，照明光源技术直接影响着机器视觉系统的正常运行。

１介绍机器视觉光源技术的发展

自上世纪中期，人们提出了机器视觉概念，但是直至1985年，随着图像处理技术的发展，机器视觉技术才开始真正发展起来。进入21世纪后，随着机器视觉技术在各种设备及生产线中的广泛应用，一些厂商才逐渐意识到在生产效率和产品质量的提高方面，机器视觉检测技术的重要性，从而机器视觉技术开始迅速发展。当下，中国的机器视觉企业已达到300多家，机器视觉系统的专业集成商有60多家，涵盖了各种机器视觉相关产品。

近年来，人们逐渐认识到了在机器视觉系统中，照明光源的重要性，国内外已经涌现了一些专门进行机器视觉照明光源开发的企业。相较于我国，国外已经具有成熟的机器视觉照明光源技术，比如日本的CCS企业制作的LED光源已广泛应用于各个领域。美国的AI企业应用其先进的机器视觉照明光源技术，已经实现了对机器视觉系统的完善。他们的光源各有所长，日本的精致小巧，而美国的结实耐用。现在，我国的机器视觉光源代表制造商有上海纬朗与东莞康视达及OPT等，它们主要引入国外产品类型，并结合用户要求，开发部分专用产品。总之，目前机器视觉光源已经进入了快速发展阶段。

2 机器视觉照明光源

理想的光源应具有稳定、均匀、明亮的特点。但是光源种类繁多，可根据发光器件将其划分为LED灯、卤素灯、氙灯及荧光灯等。目前LED光源是发展导向。它具有体积小、功耗低、发光效率高、发光稳定、寿命长、响应速度快及易形成各种形状的光源等优点。

LED光源是本世纪的第四代光源，逐渐替代了白炽灯和荧光灯等传统光源。LED借助其独特的优点，被广泛应用在景观照明、信号灯、显示屏及指示灯等各个领域，已经深入到人们的日常生活中。因为通过发光装置、硅和摄像机的光谱响应，获得的光谱范围中，红外区域是其最有效的能量转换区域，故大部分固态相机都选择响应光谱中的近红外区域，所以，红外LED光源能用作其照明光源。最近，人们正在深入研究半导体发光材料，不断开发和应用新材料，及完善LED制造工艺，研发出了颜色种类繁多、超亮的LED光源，其发光效果增强了约一千多倍，而且能显示出所有的颜色种类，而最关键的是这种超亮的白光LED，使LED应用领域有可能跨越到高效照明光源行业。

3 研究机器视觉照明光源技术

机器视觉照明旨在利用合适的光源，将光线射向被测物体，使背景和被测部分的对比突显出来。通过优质的照明，可以提高系统的整体分辨率，精简软件运算，使系统稳定性和精度得以提高；照明不适合时，则会出现许多问题，例如曝光过度、花点及眩光等，进而会造成许多重要信息被隐藏；阴影会导致边缘误检；均匀性不好、信噪比不高则会给图像阈值选择带来困难，降低系统稳定性等。

对于照明方案的选择，应综合考虑各方面的因素，如光源的强度、类型及颜色、光源控

制方式、发光器件及工作距离等。

相关资料显示，针对不同的检测目标，一般需要相应的采用不一样的照明方式，得到的

特征才可能理想，有时甚至还应对光源方式进行组合，才可以获得理想的特征，所以，除了

学习理论知识外，还需要不断积累经验。

可以将机器视觉照明光源技术划分为以下几种：

（1）前向照明光源技术。通过该技术，将相机和照明光源置于被测量目标的同一侧，

以便清晰地探照物体表面的细节情况，对划痕及缺陷等进行检测。前向照明光源一般包括四

面可调光源、线型光源、点光源、环形光源及条形光源等。它常用于检查有纹理的表面及平面，按照安装位置，可将其划分为高、低角度照明光源。

（2）背向照明光源技术。通过该技术，在被测量目标后面，放置照明光源，同时在被

测量目标前面，放置相机。背向照明光源一般有高亮背光源、平行背光源及均匀背光源。这

种技术常用于进行透明物内部情况的观察或不透明物体形成阴影。它不同于其他照明，是一

种以高亮光源为背景，以黑暗目标为特征的奇特照明方式，具有特别突出边缘的优点，但却

无法观看表面细节情况。

（3）结构光照明光源技术。通过该技术，采用一定的结构，将光线投射到被照目标上，提供所需照明，一般应根据结构光路确定出被测量目标的三维信息。结构光照明光源一般有AOI光源、栅格光源及网格投射光源等，它是一种能够凸显被测物体三维信息的光源。

近些年来，在机器视觉行业中，涌现出了很多标准光源，如同轴光源、环形光源及条形

光源等。在设计机器视觉光源的过程中，应重视均匀性、电流、电压、散热及强度等设计。

而对视觉光源的质量来说，其中的电流、电压及散热设计非常关键。

4 问题和展望

目前，LED光源已经成为机器视觉照明系统中的主流光源，但是在其使用的过程中，却

还有部分问题需要解决：

4.1 照明均匀性

LED灯珠的排列及质量一致性还有亮度等影响了照明的均匀性。可以通过选用同一批次、严格测试其光亮度、光源衰减速度、稳定性及均匀度来提高一致性，并开发专门用于仿真和

优化灯珠的亮度及排列的软件。

4.2 散热问题

对于高速度、高精度的检测，必须使用高亮度的光源，而高亮度却会产生高发热量，会

致使光衰快而缩短光源寿命。所以，应进行如下处理：选用的材料散热性能好；改进散热设计、适当增大散热面积；实施强制风冷或增添水冷系统。另外，基于对散热系统的完善，还

应控制元件发热量，在能耗相同的前提下，使热能尽量转变为光能，选择电光效率更高、材

质更优的LED组件等。

4.3 控制器的控制能力及通用性

不同光源的性能不同，所以其控制器必须和它配套，从而提高了视觉系统的成本投入。

随着现代光源技术的快速发展，控制器必须具备分区控制或单独控制光源灯珠的能力，所以

未来控制器必须增强其控制能力与通用性。

4.4 开发通用性