机器视觉灯光选型指南

本文是对来自Advanced Illumination 公司的Daryl Martin 编写的三部分系列中的第一个文档的学习笔记，展示了机器视觉照明概念和理论。

摘要

照明的质量和适当性是创建强大而及时的视觉检查的关键方面。要设计有效的视觉照明解决方案，除了了解照明类型、技术、几何形状、过滤、传感器特性和颜色之外，您还需要对检测环境进行全面分析，包括样品展示和样品/光相互作用。设计并遵循严格的照明分析序列可提供一致且稳健的环境，从而最大限度地利用时间、精力和资源——这些项目可以更好地用于视觉系统设计、测试和实施的其他关键方面。

介绍

也许视觉系统设计和实施的其他方面没有比照明更能引起更多的延迟、成本超支和普遍的恐慌。从历史上看，照明通常是最后一个指定、开发或资助的方面，如果有的话。这种方法并非完全没有根据，因为直到最近，市场上还没有真正的视觉特定照明，这意味着照明解决方案通常由标准的白炽灯或荧光消费产品组成，并具有不同数量的环境影响。

本指南旨在提供一种标准方法来开发适合样本的照明，而不是停留在理论处理上。它详细介绍了实用框架中的相关方面，并在适用的情况下提供了以下领域的示例：

• 了解照明类型和应用优缺点、视觉相机和传感器量子效率和光谱范围、照明技术及其与表面平整度和表面反射率相关的应用领域
• 熟悉视觉照明的四大基石：几何、图案或结构、波长和滤光片
• 详细分析即时检测环境（物理限制和要求）和  与您的独特样品相关的样品/光相互作用

当您积累并分析了这些领域的信息后，就具体的样品和检验要求而言，您可以实现机器视觉照明分析的主要目标——提供始终满足三个验收标准的适合样品的照明：

1. 最大化这些感兴趣特征的对比度
2. 尽量减少其他地方的对比度
3. 提供稳健性的衡量标准

每次检查都是不同的，因此，例如，满足验收标准 1 和 2 的照明解决方案只有在零件尺寸、形状、方向、放置或环境变量（如环境光贡献）不存在不一致的情况下才可能有效（见图 1）。

视觉照明源和光谱含量

现在机器视觉中常用的光源有荧光灯、石英卤素灯、LED、金属卤化物（汞）和氙气。

荧光灯、石英卤素灯和 LED是机器视觉中使用最广泛的照明类型，尤其适用于 中小型检测站。金属卤化物、氙气和高压钠通常用于大规模应用或需要非常明亮的光源的区域。金属卤化物，也称为汞，常用于显微镜检查，因为它具有许多离散的波长峰，这对荧光研究中滤光片的使用起到了补充作用。氙气光源适用于需要非常明亮的频闪灯的应用。图 2 显示了应用于机器视觉的荧光灯、石英卤素灯和 LED 照明类型的优缺点以及相关选择标准。例如，虽然LED照明的寿命更长，而石英卤素照明可能是特殊检查的选择，因为它提供了更大的强度。

备注：
LED、Quartz Halogen(石英卤素灯)、Fluorescent(荧光灯)、Xenon Strobe(氙气闪光灯)
指标(从上顺势针)：期望寿命、应用灵活性、输出稳定性、成本效益、频闪、连续性、输出亮度、输出温度、面积。

历史上，荧光和石英卤素光源最常用。近年来，LED技术在稳定性、强度和成本效益方面都有所提高；然而，对于大面积照明来说，它仍然没有成本效益，特别是与荧光光源相比。然而，如果应用灵活性、输出稳定性和寿命是重要参数，那么 LED 照明可能更合适。根据确切的照明要求，通常您可以针对特定实施使用多种光源类型，并且大多数视觉专家都认为一种光源类型无法充分解决所有照明问题。

不仅要考虑光源的亮度，还要考虑其光谱内容（图 3）。例如，显微镜应用通常使用全光谱石英卤素、氙气或汞源，尤其是在彩色成像时；然而，单色 LED 光源也可用于黑白 CCD 相机，现在也可用于彩色应用，随着“全色 - RGB”和白色 LED 灯头的出现。

在那些需要高光强度的应用中，例如高速检测，将光源的光谱输出与特定视觉相机的光谱灵敏度相匹配可能会很有用（图 4）。例如，基于CMOS传感器的相机比对应的电荷耦合器件 (CCD) 相机对 IR 更敏感，当使用 IR LED 或富含 IR 的钨源时，在光线不足的检测设置中具有显着的灵敏度优势。