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视觉照明技术发展及趋势

发表时间:2021-12-20 22:34

       我们常见的人工光源,按照发光机理分类可以分为 : 第一代电阻发光,如白炽灯;第二代荧光粉发光,如荧光灯;第三代电弧和气体发光,如钠灯;第四代固态芯片发光,如LED。机器视觉系统中最常用的光源是荧光光源和LED光源。荧光灯能够做成不同的形状及大小,发热少,寿命长。其灯管产生的漫射光,有利于测量具有反射能力的金属元件。传统的冷阴极荧光灯,显色性不好,寿命和可靠性都比较低。因为其白光是多种波长混合而成的,所以测量时非彩色CCD 对图像的识别精度会受到影响。三基色荧光灯的显色性能好,光效强,在彩色图像视觉检测中应用较多。LED光源,具有响应速度快、耗电量低、安全性高、使用寿命长、单元体积小、可控性高和绿色可回收等优势,已逐步替代白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯等传统光源。随着半导体和包装材料的技术进步,LED光源必将促进新型照明系统和设备设计制造的快速发展。在机器视觉零部件应用中,光源产品的竞争较为激烈。

       机器视觉照明的发展主要经历了三个阶段。第一阶段机器视觉光源直接引入普通照明,主要解决有无问题。第二阶段机器视觉光源以LED光源为代表,是面向多样化应用专门设计的光源,实现高品质成像能力。第三阶段机器视觉光源激光光源为代表的创新产品,强调光源与视觉算法更加紧密结合。未来趋势,机器视觉光源则更多偏向于智能化要求,以及新技术的融合。

(1)第一阶段机器视觉使用传统光源

       在机器视觉起步阶段,应用最多的是卤素灯和荧光灯。在这个阶段,受制于发光器件的性能,亮度和寿命成为光源最大短板。以日光灯为例,在使用的第一个100小时内,光能将下降 15%,随着使用时间的增加,光能还将不断下降。人们对于机器视觉光源的认识,随着实践的丰富,逐渐从定性的提供光源照明即可,发展到定量的评测亮度、均匀性、显色性、光谱分布、光场分布、寿命等指标。另外,由于光源多采用民用或某些特定行业如汽车照明灯具,受制于灯具的器件体积,照明系统设计无法做到随心所欲,导致不能很好的进行目标特征突出或干扰抑制。

(2)第二阶段,机器视觉 LED 光源

       LED 光源在光谱段突破了可见光范围,比如针对 3C 电子产品制造行业的荧光胶型检测,365nm 的紫外 LED 光源成为首选,而针对太阳能行业的硅片隐裂检测,1300nm 的红外 LED 光源搭配红外相机的方案将原来可见光不可能完成的任务变为现实。在光源形状上,随着 LED 光效的提高体积的缩小,光源可以做成各种形状结构,每种形状发出光的特点不同,更加贴合客户应用。在亮度上,借助于高速频闪技术,已经可以做到100wLux 以上,可以应对目前最高速的飞拍场合。

(3)第三阶段,机器视觉激光光源

       近几年,激光光源以其高性能、高可靠性,也成为机器视觉的一类特殊光源,适用于多种 2D/3D 视觉应用和检测系统。激光源具有条纹精细,功率分布均匀,边缘清晰度等特点,可以有效提高视觉应用的成像分辨率与精度。匹配不同的二次光学设计透镜,激光光源还可提供不同投射图案,不同波长,不同功率的一系列产品,满足客户的各种需求。应用于机器视觉的激光光源常用的波长为 405nm、450nm、520nm、532nm、635nm、637nm、655nm、808nm、1064nm 等。常用的线性发生器角度可以做到 15°、30°、45°、60°、90°等。DLP 技术,随着 3D 应用在机器视觉行业的兴起,在诸多的视觉方法中,结构光三维视觉以其大量程、大视场、较高精度、光条图像信息易于提取、实时性强及主动受控等特点,在机器视觉领域得到了广泛的应用。采用 DLP 技术的可编码结构光源也成为了 3D 机器视觉光源的代表。DLP,即数字光处理,也就是说这种技术要先把影像信号经过数字处理,然后再把光投影出来。在 DLP 光源中,首先在半导体芯片上布置一个由精密微型反射镜所组成的矩阵,可对每一个微镜片进行编程控制角度,这些微镜片在数字驱动信号的控制下能够迅速改变角度,使得出射光投影具备不同图案。

       结构光源主要可以分为两类,线扫描结构光,面阵结构光。线扫描结构光最先出现,多使用激光器形成一字线,与面阵结构光比较相对简单,精度也比较高。面阵结构光大致可以分为两类:随机结构光和编码结构光。随机结构光较为简单。通过投影器向被测空间中投射亮度不均和随机分布的点状结构光。编码结构光又可以分为两类:时序编码和空间编码。时序编码结构光即为在一定时间范围内,通过投影器向被测空间投射一系列明暗不同的结构光,每次投影都通过相机进行成像,将双目影像搜索匹配像素的问题变成了查找具有相同编码值的像素。时序编码结构光精度高,但是只适用于静态场景,且需要拍摄大量图像。空间编码结构光满足了动态场景的需要,其原理是在被测空间中投影经过数学编码,使得一定范围内的光斑不具备重复性,这样某个点的编码值可以通过其邻域获得,包含一个完整的空间编码的像素数量就决定了重建的精度。空间编码结构光优点是实时,可用于动态环境,数据量相对较小,但是易受噪声干扰,对于空间中的遮挡比较敏感,相较于时序编码结构光精度较低。目前,编码结构光源的编码方法已经成为快速获取三维场景信息的关键。

       总的来说,目前的机器视觉光源不论在国内还是国外都处于迅猛发展阶段,机器视觉光源的市场远未饱和。从光源的产业链看,光源设计制造已经不存在技术壁垒,国内企业凭借多年应用积累和成本优势,在光源器件产品上已经具备绝对竞争力。但是核心器件 LED 特别是高性能 LED 仍掌握在上游国外企业手中,卡脖子问题仍然存在。因此在未来国产机器视觉光源的设计制造上,国产光源企业需要向上延伸,联合国内上游产业的共同发展,才能彻底实现机器视觉光源的做大做强。

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