机器视觉照明系统技术
思瀚产业研究院 科视光学    2024-09-27

A、机器视觉光源技术

机器视觉系统的核心是目标图像信息的采集和处理，所有用于分析和决策的信息均来源于视觉传感器所采集的图像之中，图像本身的质量对整个视觉系统极为关键。

而传感器所采集的图像信息则由机器视觉光源所构成的照明系统所决定，机器视觉光源的输出方式、性能表现、布局设计以及与待测物体的适配度等将直接影响到视觉传感器所采集图像的质量和视觉分析的结果，进而影响到系统的决策和输出质量。

高质量的照明系统将极大地提升视觉系统采集信息的信噪比，从而简化后续图像的分割处理算法，提高机器视觉系统的识别速度、识别精度与识别准确度，避免了由于照明设计缺陷导致的目标物体特征信息的丢失。

在机器视觉系统中，光源主要提供四大功能：

1）突出测量特征，简化图像处理算法；

2）克服环境光的干扰，提高图像信噪比；

3）提高视觉系统的定位、测量、识别精度，以及系统的运行速度；

4）降低系统设计的复杂度。

为了在实际的机器视觉应用场景中实现上述功能，往往需要针对不同的目标物体特征、工作环境等因素进行机器视觉光源系统的定制化设计。机器视觉照明系统的设计主要涉及三个方面：光源的类型和特性、目标物体以及所处环境的光反射和传输特性、光源的结构、分布与照明方式。设计满足客户需求的光源和照明方式的方案不仅需要深厚的理论知识，也需要大量反复的实践经验，因此在光源领域企业需不断积累人才和技术以形成核心竞争优势。

a、光源技术

特性机器视觉光源在设计时需要大量技术特性，以满足机器视觉系统的实际应用场景需求，为机器视觉图像传感器提供高质量的、突显目标物体特征的视觉信息。为此，需要考虑包括方向性、输出光谱、偏振特性、输出光强、均匀性、光源形状、目标物体的尺寸与背景、工作距离、角度等技术特性。

b、光源类型

由于机器视觉系统应用的场景十分广泛，机器视觉光源的设计往往差异较大。从发光原理上进行划分，机器视觉光源包括高频荧光灯、光纤卤素灯、LED 灯、氙灯等，其中 LED 由于其寿命长、响应速度快、设计自由度高、单色性好、输出波长丰富、综合性价比高等优势，在行业内被广泛应用于机器视觉系统中。

c、光源照明技术

针对不同的应用场景，以及目标物体不同的特征，需要设计不同的照明方式，以突出目标物体的特征信息，提高信息采集的对比度、精度、准确度等，并降低后续图像识别与处理算法的难度。常见的照明方式包括：

1）背光照明：背光照明是一种高准直度照明技术，其将光源放置在相对于视觉图像传感器的目标物体背面，通过在明亮的背景下形成深色的物体轮廓来形成高对比度图像，此时视觉传感器所采集的光主要来源于光源。应用背光技术精确捕捉目标物体的轮廓图像，但是可能会导致物体表面特征的丢失。

2）同轴照明：同轴照明是与摄像头的轴向有相同的方向的光照射到物体的表面。同轴照明使用一种特殊的半反射镜面反射光源到摄像头的透镜轴方向。半反射镜面只让从物体表面反射垂直于透镜的光源通过。同轴照明技术对于实现扁平物体且有镜面特征的表面的均匀照明很有用。此外此技术还可以实现使表面角度变化部分高亮，因为不垂直于摄像头镜头的表面反射的光不会进入镜头，从而造成表面较暗。

3）暗场照明：暗场照明是相对于物体表面提供低角度照明，以增大光源光束至物体表面的入射角，以降低视觉传感器中所探测到的镜面反射成分，增加物体表面由于起伏特征所产生的漫反射成分，以突出目标物体的表面特征。

4）同轴光照明：同轴光源利用分光镜的特性，实现以 90 度垂直的入射角照射被测物体并以垂直的角度反射，从而消除物体表面的不平整引起的阴影，减少对目标图像特征信息的干扰，还可以消除反光，提高成像清晰度，使光均匀照射物体表面。

5）漫反射照明：漫反射照明通过半球形的方式实现整个立体角的高均匀性照明，减小影子及镜面反射，以获取更高质量的采集图像。

6）结构光照明：结构光是一种投影在物体表面的有一定几何形状的光（如线形、圆形、正方形），通过对比并分析照明结构光与采集结构光分布的差异，计算出物体的表明特征分布。

B、机器视觉光源控制技术

机器视觉的根本目的是实现系统及装备的智能化，即根据实时获取的场景变化信息来自适应改变各硬件的工作状态、工作方式等，其实现除了依赖于机器视觉光源提供的照明方式外，还依赖于机器视觉光源控制器提供不同的亮度与照明模式，从而提高照明光源的品质，获得高质量的图像。机器视觉光源控制器是一种专用硬件设备，主要功能是接收上位机所发送的命令与参数，经过主控制器处理后，通过驱动电路控制 LED 光源，实现光源的亮灭状态、亮度、触发等功能的调节。其主要应用方式包括下所示：

脉冲（或频闪）控制：当用户需要同步光源点亮时间、相机曝光时间和目标产品时（可精确至毫微秒的定时分辨率）

过流驱动：当用户需要在自定义的短时间内提高 LED 光源亮度（最多 10 倍的过载能力）

提供恒定电流输出：当用户需要为 LED 光源提供高度稳定恒定电流时

多光源控制体系：对于有多个光源配置的系统，需要亮度控制和高速同步时（包括单次或多次触发）

远程参数配置：适用于需要远程配置协助来设置光源参数的系统，例如当系统运转时可高效地进行光源的参数设置

a、光源驱动原理

目前，行业内应用于机器视觉的光源基本上为 LED 光源，LED 光源是一种电流型驱动器件，其发光强度由流过该器件的电流所决定，电流的巨大变化将造成 LED 光源输出的光照强度的巨变。通过光源控制器精确控制电流，实现 LED 输出光强的精确控制，是提高机器视觉感知能力、自适应能力等的关键之一。

b、光源输出模式

光源的输出模式通常可分为连续模式和脉冲模式（频闪模式），连续输出模式是指光源一直处于开启状态，是常规光源最基本的输出模式，此时输出光照强度是唯一可调控的参数，且该模式下不允许过流驱动。在脉冲输出模式下，光源仅在被场景需要的情况下允许开启，由脉冲信号触发改变其状态，其余情况下处于关闭状态。当需要启动光源时，控制器将接收对应的触发信号。通过调控触发信号响应的延迟时间、脉冲信号的宽度、脉冲信号的强度等参数，可以控制光源实现复杂场景的光强输出应用。

通过合理设置并应用脉冲输出模式，可以在拍摄高速运动物体时，消除采集图像的运动模糊拖影，获得清晰的图像，十分适用于基于机器视觉的在线高速检测等用途。此外，LED 是热敏感型器件，持续高温将大幅降低其使用寿命。由于脉冲输出模式仅在需要的时候启动光源，可大幅降低光源的热量，从而提升光源的使用寿命，降低生产和维护成本。

c、过流驱动技术

在光源额定电流下，LED 光源可达到 LED 输出亮度设计值的 100%，而通过过流驱动技术，可在短暂的脉冲时间内突破 LED 额定输出亮度的限制，实现超越设计极值的瞬时高亮度输出。通过光源控制器实现 LED 的过流驱动，可大大抑制环境光对机器视觉传感器的干扰。

由于机器视觉的信息采集来源于目标图像对外界照明光的响应，通常情况下环境光无法完全消除，这势必会对机器视觉系统采集的信息造成干扰。通过过流驱动技术，将 LED 输出亮度提升至额定值的200%或 400%，可使视觉传感器的曝光采集时间减半或减至四分之一，从而大幅增加来自机器视觉光源照明光强的占比，降低了环境光对图像采集系统的干扰。

另一方面，由于过流驱动技术提高了来自机器视觉光源照明光强的占比，机器视觉图像传感器可配置更小的曝光孔径而无需担心光照不足的问题，从而可以为光学系统提供更高的景深，提升图像采集的容差能力。

此外，由于过流驱动技术大大减少了机器视觉图像传感器的采集时间，进一步提升了生产线可允许的运行速度，提升了厂商的生产效率。

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