遠(yuǎn)心照明：為何機(jī)器視覺應(yīng)用中需要它

遠(yuǎn)心照明：為何機(jī)器視覺應(yīng)用中需要它 

成像和檢測(cè)項(xiàng)目需要采用光學(xué)元件并進(jìn)行校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良性能。這些機(jī)器視覺檢測(cè)應(yīng)用
采用成像鏡頭、照明源、相機(jī)和機(jī)械裝置作為關(guān)鍵元件。成像鏡頭和相機(jī)的選擇是應(yīng)用獲得成功的重要組成部分；但照明同樣也很重要。遠(yuǎn)心照明是照明幾何類型之一。何為遠(yuǎn)心照明？與背光照明相比，遠(yuǎn)心照明如何幫助產(chǎn)生更好的結(jié)果？要問答這些問題，我們需要思考一下照明理論、優(yōu)點(diǎn)以及實(shí)際的檢測(cè)應(yīng)用

遠(yuǎn)心照明理論

在光學(xué)中，遠(yuǎn)心度是某些多元件鏡頭設(shè)計(jì)的*特性，主光線對(duì)準(zhǔn)并平行于像方和/或物方的光軸（圖 1）。遠(yuǎn)心度的一個(gè)關(guān)鍵特征，就是恒定的放大倍率，不受圖像或物體位置的影響。遠(yuǎn)心度分為三類：物方、像方和物像兩方。有關(guān)更多信息和定義，請(qǐng)參閱遠(yuǎn)心度的優(yōu)點(diǎn).

圖1:主光線平行于光軸的遠(yuǎn)心度示例

在照明理論中，也可以采用主光線對(duì)準(zhǔn)并與光軸平行的概念。即采用遠(yuǎn)心照明器 – 有時(shí)稱之為平行背光源。遠(yuǎn)心照明器（例如TECHSPEC® 遠(yuǎn)心背光光源）, 利用光學(xué)原理將來自光導(dǎo)纖維或 LED 的光線引導(dǎo)至被檢查的物體上，產(chǎn)生高對(duì)比度的輪廓。遠(yuǎn)心照明器降低了物體的漫反射，從而提高了邊緣對(duì)比度和測(cè)量準(zhǔn)確度。平行光線從照明器射出，在照射到物體表面上時(shí)仍保持平行（圖 2a）。相反，從標(biāo)準(zhǔn)背光源發(fā)出的光線則會(huì)放大和相互干擾，終形成漫反射（圖 2b）。有關(guān)教學(xué)示例，請(qǐng)參閱 EO成像實(shí)驗(yàn)室2.2: 遠(yuǎn)心度.

圖2a:遠(yuǎn)心照明器射出的平行光線

圖2b:標(biāo)準(zhǔn)背光源產(chǎn)生的漫反射

遠(yuǎn)心照明如何產(chǎn)生高對(duì)比度輪廓?

遠(yuǎn)心照明器
工作原理是利用優(yōu)質(zhì)光學(xué)玻璃鏡片使光纖光導(dǎo)或 LED 射燈的光線保持平行。從光源射出的發(fā)散光線進(jìn)入多鏡片組件，因此平行且高度集中。幾乎所有進(jìn)入遠(yuǎn)心照明器的光線（忽略背向反射和各個(gè)光學(xué)鏡片的光線吸收）都會(huì)照射到被檢測(cè)物體上。此外，許多遠(yuǎn)心照明器都帶有虹膜，用于控制所提供照明的強(qiáng)度。

遠(yuǎn)心照明有何秘訣?

與 LED 圖形投影儀和十字線相結(jié)合時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)心成像鏡頭可以用作遠(yuǎn)心照明器. 與典型遠(yuǎn)心照明器一樣，通過遠(yuǎn)心成像鏡頭的光線是準(zhǔn)直的，在形成物體輪廓時(shí)消除漫反射。然而，與遠(yuǎn)心照明器不同的是，使用遠(yuǎn)心成像鏡頭時(shí)，LED 投影儀上的缺陷可能會(huì)被檢測(cè)出來.

遠(yuǎn)心照明的優(yōu)點(diǎn) 
遠(yuǎn)心照明是測(cè)量應(yīng)用的理想之選，在這種應(yīng)用中，準(zhǔn)確性、可重復(fù)性和光通量對(duì)成功測(cè)量至關(guān)重要。為了產(chǎn)生優(yōu)良效果，請(qǐng)認(rèn)真考慮遠(yuǎn)心照明的八大好處：

1?、優(yōu)異的微小缺陷檢測(cè)能力

2?、與標(biāo)準(zhǔn)背光照明相比測(cè)量準(zhǔn)確性和可重復(fù)性更高

3?、消除了漫反射導(dǎo)致的模糊邊緣

4?、提高了平行光線的光強(qiáng)度

5?、消除模糊邊緣和提高光強(qiáng)度帶來了高對(duì)比度圖像

6?、提高光強(qiáng)度后縮短了相機(jī)曝光時(shí)間

7?、與標(biāo)準(zhǔn)背光照明相比系統(tǒng)速度更快、光通量更大

8?、物體和照明源間距增大

應(yīng)用范例 

理解遠(yuǎn)心照明的理論 是重要的開端。接下來是分析這種照明幾何的實(shí)際應(yīng)用，以理解為什么在機(jī)器視覺應(yīng)用中需要它。遠(yuǎn)心照明的優(yōu)點(diǎn)適合高速成像、工廠自動(dòng)化、顯示輪廓以及缺陷和邊緣檢測(cè)等各種應(yīng)用。

其中一個(gè)例子是測(cè)量和檢測(cè)不銹鋼柱中的螺紋直徑。檢測(cè)物體小(10mm)，需要測(cè)量螺距，這都會(huì)妨礙視覺分揀。這種應(yīng)用初采用的檢測(cè)系統(tǒng)是 640 x 480 像素電荷耦合相機(jī)，然后在相機(jī)的0.6X TECHSPEC® SilverTL™ 遠(yuǎn)心鏡頭#56-675前方加裝標(biāo)準(zhǔn) LED 背光源。包裝機(jī)器人將零件從生產(chǎn)轉(zhuǎn)盤移動(dòng)至視覺系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集。然后揀貨機(jī)器人利用從圖像采集中收集的信息，零件前往合格或不合格產(chǎn)品收集桶。

雖然設(shè)計(jì)精巧，但標(biāo)準(zhǔn)背光系統(tǒng)無法檢測(cè)小于 10mm 的零件，且檢測(cè)限值為 10ppm，而新生產(chǎn)流程需要達(dá)到 40ppm。此外，發(fā)散的 LED 背光源產(chǎn)生的光強(qiáng)度低，需要長(zhǎng)達(dá) 2.5 毫秒的曝光時(shí)間；新生產(chǎn)線速度只允許在 800 微秒內(nèi)捕捉到清晰圖像。一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方法是提高相機(jī)增益設(shè)置，縮短曝光時(shí)間。但這會(huì)增大系統(tǒng)信噪比，導(dǎo)致測(cè)量準(zhǔn)確性降低。

圖3a:遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)在接桿上的成像螺紋直徑

圖3b:標(biāo)準(zhǔn)背光系統(tǒng)在接桿上的成像螺紋直徑

答案很明顯– 遠(yuǎn)心照明！將發(fā)散的 LED 背光源替換為TECHSPEC® 遠(yuǎn)心背光照明器#62-760, 照射到螺紋上的光強(qiáng)度就會(huì)增大，同時(shí)減小漫反射，縮短相機(jī)曝光時(shí)間，提高圖像整體對(duì)比度。圖 3a – 3b 比較了遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)背光系統(tǒng)。請(qǐng)注意，機(jī)械設(shè)置幾乎相同，只有細(xì)微修改。

圖4a:遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)產(chǎn)生的邊緣清晰的輪廓

圖4b:標(biāo)準(zhǔn)背光系統(tǒng)產(chǎn)生的模糊邊緣輪廓

在原始設(shè)備中，背光源產(chǎn)生的漫反射會(huì)產(chǎn)生模糊邊緣。替換為遠(yuǎn)心照明器之后, 邊緣就清晰起來，而且易于確定是否通過檢測(cè)（圖 4a – 4b）。此外，使用標(biāo)準(zhǔn)背光源時(shí)幾乎看不到螺紋一側(cè)的毛邊，而遠(yuǎn)心照明器就可以輕松檢測(cè)和測(cè)量這種毛邊。從技術(shù)角度來看，圖 5a – 5b 中的圖表顯示了遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)背光系統(tǒng)的對(duì)比度值。圖 5a 中的勢(shì)阱越寬，對(duì)比度就越大，就會(huì)產(chǎn)生較高的測(cè)量準(zhǔn)確性。

圖5a:使用遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)的高對(duì)比度

圖5b:使用標(biāo)準(zhǔn)背光系統(tǒng)的對(duì)比度

遠(yuǎn)心照明
有利于高速成像、工廠自動(dòng)化、顯示輪廓以及缺陷和邊緣檢測(cè)等機(jī)器視覺應(yīng)用。與標(biāo)準(zhǔn)背光源不同的是，采用遠(yuǎn)心照明可以產(chǎn)生清晰的輪廓，特別適合檢測(cè)邊緣和缺陷。遠(yuǎn)心照明的這種優(yōu)點(diǎn)對(duì)需要高對(duì)比度無模糊邊緣圖像的應(yīng)用和高速自動(dòng)化應(yīng)用來說至關(guān)重要。