工业光源与工业镜头工业机器视觉：光源，镜头，图像传感器相机|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

工业机器视觉：光源，镜头，图像传感器相机

工业机器视觉：光源，镜头，图像传感器相机

　　Edited by 4thInstitute

一、工业机器视觉系统

　　工业机器视觉系统可分为嵌入式系统与板卡式系统(PC-Based)两类。中国工业机器视觉系统中嵌入式机器视觉系统约占三分之二，PC-Based机器视觉系统占比三分之一。

　　PC-Based系统很容易与直接连接的相机或图像采集板连接，并得到可配置的机器视觉应用软件的支持。此外，个人电脑提供了丰富的自定义代码开发选项，使用相应的编程语言，如VisualC/C++、Visual Basic和Java，以及图形化编程环境。然而，开发往往是漫长而复杂的，所以通常适用于非标定制设备，并且需要高级机器视觉用户和程序员来开发。

　　中国工业机器视觉系统由外资企业主导，主要有康耐视，基恩士，欧姆龙，西克和邦纳 ，其中康耐视和基恩士两家居于龙头领先地位。本土企业非常分散，其中大恒，奥普特，凌华科技和凌云光子 等位于前列。

　　工业机器视觉系统的上游为组成机器视觉系统的零部件，主要包括光源、镜头、工业相机、图像采集卡和平台软件 。在上游部件中工业相机的规模最大，平台软件的占比最小。上游部件中，平台软件与镜头的市场集中程度高，由外资主导；工业相机、光源、图像采集卡的本土化程度高，竞争激烈。

　　二、工业机器视觉核心零部件厂商：

　　三、零部件简介：

　　1）光源

　　打光是成功的机器视觉结果的一个关键。机器视觉系统通过分析物体的反射光来创建图像，而不是通过分析物体本身。照明技术涉及光源及其相对于部件和相机的位置。特定的照明技术可以增强图像，使其否定一些特征而增强其他特征，通过使一个零件的轮廓变得更清晰，从而使该零件变得更漂亮。

　　背光

　　对于只需要外部或边缘测量的应用场景，背光增强了物体的轮廓。背光有助于检测形状，使尺寸测量更可靠。

　　轴向漫射光

　　轴向漫射照明将光线从侧面（同轴）耦合到光路中。使用一面半透明的镜子从侧面照亮，将光线向下投射到零件上。该部件通过半透明的镜子将光线反射到相机上，从而形成一个非常均匀的照明和均匀的图像。

　　结构光

　　结构光是以已知角度向物体投射光型（平面、网格或更复杂的形状）。它对于提供与对比度无关的表面检查、获取尺寸信息和计算体积非常有用。

　　暗场照明

　　定向照明更容易揭示表面缺陷，包括暗场和明场照明。暗场照明通常是低对比度应用的首选。在暗场照明中，镜面反射光从相机反射出去，来自表面纹理和高程变化的漫射光反射到相机中。

　　亮场照明

　　亮场照明是高对比度应用的理想选择。但是，高方向性光源（如高压钠和石英卤素）可能会产生尖锐的阴影，并且通常不会在整个视野中提供一致的照明。因此，发光或反射表面上的热点和镜面反射可能需要更漫射的光源，以便在明亮区域提供均匀的照明。

　　漫射穹顶照明

　　漫射穹顶照明为感兴趣的特征提供最均匀的照明，并且可以掩盖不感兴趣的不规则现象，可能会对场景产生混淆。

　　频闪照明

　　频闪照明在高速应用中用于冻结移动物体以供检查。使用闪光灯也有助于防止模糊。

　　2）镜头

　　镜头捕捉图像并将其传递给相机中的图像传感器。镜头的光学质量和价格各不相同，所使用的镜头决定了所捕获图像的质量和分辨率。大多数视觉系统相机提供两种主要类型的镜头。

　　可换镜头和固定镜头。可更换的镜头通常是C-卡口或CS-卡口。镜头和镜头的正确组合将获得最佳的图像。作为独立视觉系统的一部分，固定镜头通常使用自动对焦，它可以是一个机械调整的镜头，也可以是一个可以自动对准零件的液体镜头。自动对焦镜头在给定的距离上通常有一个固定的视场。

　　3）图像传感器-相机

　　照相机捕捉被检查物体的正确照明图像的能力不仅取决于镜头，而且还取决于照相机内的图像传感器。图像传感器通常使用电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）技术，将光（光子）转换成电信号（电子）。从本质上讲，图像传感器的工作是捕捉光线并将其转换为数字图像，以平衡噪音、灵敏度和动态范围。该图像是一个像素的集合。弱光会产生黑暗的像素，而强光会产生较亮的像素。重要的是，要确保相机具有适合应用的传感器分辨率。

　　分辨率越高，图像的细节就越多，测量也就越准确。零件尺寸、检查公差和其他参数将决定所需的分辨率。

　　2019年机器视觉相机市场份额：

　　CMOS图像传感器目前在工业视觉市场上占主导地位，拥有92% 的市场销售额，而CCD将继续下降，并保持在医疗和国防等小众、高端领域。

　　像素尺寸的缩小是带来额外性能的基本趋势；

　　图像传感器在逻辑IC上的堆叠进一步加速了图像处理电路和像素的整合，导致新型芯片的出现；

　　集成，导致新类型的芯片出现：GS, 3D ToF...

　　人工智能将是集成的下一个层次

　　2019-2020年CMOS图像传感器技术的像素尺寸：

　　三维相机技术：性能、应用和工艺

工业视觉中光源的重要性

光源

机器视觉系统主要由三部分组成：图像的获取、图像的处理和分析、输出或显示。而图像的获取是机器视觉的核心，图像的获取系统则是由光源、镜头、相机三部分组成。光源的选取与打光合理与否可直接影响至少30%的成像质量。所以光源是机器视觉系统中非常重要的一部分。

作用

通过适当的光源照明设计，使图像中的目标信息与背景信息得到最佳分离，可以大大降低图像处理算法分割、识别的难度，同时提高系统的定位、测量精度，使系统的可靠性和综合性能得到提高。反之，如果光源设计不当，会导致在图像处理算法设计和成像系统设计中事倍功半。因此，光源及光学系统设计的成败是决定系统成败的首要因素。

照亮目标，提高目标亮度；

突出测量特征，简化图像处理算法；

克服环境光的干扰，保证图像的稳定性，提高图像信噪比；

提高视觉系统的定位、测量、识别精度，以及系统的运行速度；

降低系统设计的复杂度，形成最有利于图像处理的成像效果；

分类

1、环形光源

环形光源提供不同照射角度、不同颜色组合，更能突出物体的三维信息；高密度LED阵列，高亮度；多种紧凑设计，节省安装空间；解决对角照射阴影问题；可选配漫射板导光，光线均匀扩散。应用领域:PCB基板检测，IC元件检测，显微镜照明，液晶校正，塑胶容器检测，集成电路印字检查

2、背光源

用高密度LED阵列面提供高强度背光照明，能突出物体的外形轮廓特征，尤其适合作为显微镜的载物台。红白两用背光源、红蓝多用背光源，能调配出不同颜色，满足不同被测物多色要求。应用领域:机械零件尺寸的测量，电子元件、IC的外型检测，胶片污点检测，透明物体划痕检测等。

3、条形光源

条形光源是较大方形结构被测物的首选光源；颜色可根据需求搭配，自由组合；照射角度与安装随意可调。应用领域:金属表面检查，图像扫描，表面裂缝检测，LCD面板检测等。

4、同轴光源

同轴光源可以消除物体表面不平整引起的阴影，从而减少干扰；部分采用分光镜设计，减少光损失，提高成像清晰度，均匀照射物体表面。应用领域:系列光源最适宜用于反射度极高的物体，如金属、玻璃、胶片、晶片等表面的划伤检测，芯片和硅晶片的破损检测，Mark点定位，包装条码识别。

5、球积分光源

具有积分效果的半球面内壁，均匀反射从底部360度发射出的光线，使整个图像的照度十分均匀。应用领域:合于曲面，表面凹凸，弧形表面检测，或金属、玻璃表面反光较强的物体表面检测。

6、线形光源

超高亮度，采用柱面透镜聚光，适用于各种流水线连续检测场合。应用领域:阵相机照明专用，AOI专用。

7、点光源

大功率LED，体积小，发光强度高；光纤卤素灯的替代品，尤其适合作为镜头的同轴光源等；高效散热装置，大大提高光源的使用寿命。应用领域:适合远心镜头使用，用于芯片检测，Mark点定位，晶片及液晶玻璃底基校正。

8、组合条形光源

四边配置条形光，每边照明独立可控；可根据被测物要求调整所需照明角度，适用性广。应用案例:CB基板检测，IC元件检测，焊锡检查，Mark点定位，显微镜照明，包装条码照明，球形物体照明等。

LED光源特点

目前机器视觉光源主要采用LED（发光二极管），由于其形状自由度高，使用寿命长、响应速度快、单色性好、颜色多样、综合性价比高等特点在行业内广泛应用：

• 形状自由度

一个LED光源是由许多单个LED组合而成的，因而跟其他光源相比，可做成更多的形状，更容易针对用户的情况，设计光源的形状和尺寸。

• 使用寿命长

为了使图像处理单元得到精确的，重复性好的测量结果，照明系统必须保证相当长的时间内能够提供稳定的图像输入。LED光源在连续工作10,000到30,000小时后，亮度衰减，但远比其他型式的光源效果好。此外，用控制系统使其间断工作，可抑制发光管发热，寿命也将延长一倍。

• 响应速度快

LED发光管响应时间很短，响应时间的真正意义是能按要求保证多个光源之间或一个光源不同区域之间的工作切换，采用专用控制器给LED光源供电时，达到最大照度的时间小于10s

• 颜色多样

除了光源的形状以外，得到稳定图像输入的另一方面就是选择光源的颜色。甚至相同形状的光源，由于颜色的不同得到的图像也会有很大的差别。实际上，如何利用光源颜色的技术特性得到最佳对比度的图像效果一直是光源开发的主要方向。

• 综合性运营成本低

选用低廉而性能没有保证的产品，初次投资的节省很快会被日常的维护、维修费用抵消。其他光源不仅耗电是LED光源的2-10倍，而且几乎每月就要更换，浪费了维修工程师许多宝贵的时间。而且投入使用的光源越多，在器件更换和人工方面的花费就越大，因此选用寿命长的LED光源从长远看是很经济的。

如何选择

• 环境要求分析

1、从客户那里了解对系统结构及运行的要求，确定工业相机、光源、被测物的空间结构关系。

确定的参数有：视场(FOV),工作距离(WD)；

2、空间结构有: 直射，侧射，背部照射；

直射结构的光源—部分环形光源，同轴光源，圆顶光源；

侧射结构的光源—部分环形光源，条形光源，线光源，点光源；

背部照射—方形背光源，条形背光源。

• 物体表面纹理及颜色分析

1、物体表面是曲面还是平面？物体表面是否光滑？反光是否很强？曲面检测宜用圆顶光源，光滑平面宜用同轴光源，粗糙平面宜用明视场光源。

2、物体的透光性怎样？透光性好的物体可以用IR光源。

3、分清背景(我们不需要检测的)是什么颜色，前景(我们要检测的)是什么颜色？好的光源就是有一个好的对比度－－-背景与前景很清楚。

4、前景颜色多变化宜用彩色光源及白色光源；

• 选择总结

1、需要前景与背景更大的对比度?–考虑用黑白相机与彩色光源2、环境光的问题?–尝试用单色光源，配一个滤镜3、闪光曲面?–尝试用散射圆顶光4、闪光，平的，但粗糙的表面?–尝试用同轴散射光5、看表面的形状?–考虑用暗视场(低角度)6、检测塑料的时候–尝试用紫外或红外光7、需要通过反射的表面看特征?–尝试用低角度线光源(暗视场)8、组合光源有时也能解决问题9、频闪能够产生比常亮照明20倍强的光

如何打光

• 一般目的的照明：

通用照明一般采用环状或点状照明。环灯是一种常用的通用照明方式，其很容易安装在镜头上，可给漫反射表面提供足够的照明。

• 背光照明：

背光照明是将光源放置在相对于摄像头的物体的背面。这种照明方式与别的照明方式有很大不同因为图像分析的不是发水光而是入射光。背光照明产生了很强的对比度。应用背光技术时候，物体表面特征可能会丢失。例如，可以应用背光技术测量硬币的直径，但是却无法判断硬币的正反面。

• 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。连续漫反射照明：连续漫反射照明应用于物体表面的反射性或者表面有复杂的角度。连续漫反射照明应用半球形的均匀照明，以减小影子及镜面反射。这种照明方式对于完全组装的电路板照明非常有用。这种光源可以达到170立体角范围的均匀照明。

• 暗域照明：

暗域照明是相对于物体表面提供低角度照明。使用相机拍摄镜子使其在其视野内，如果在视野内能看见光源就认为使亮域照明，相反的在视野中看不到光源就是暗域照明。因此光源是亮域照明还是暗域照明与光源的位置有关。典型的，暗域照明应用于对表面部分有突起的部分的照明或表面纹理变化的照明。

• 结构光：

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）。典型的结构光涉及激光或光纤。结构光可以用来测量相机到光源的距离。多轴照明：在许多应用中，为了使视野下不同的特征表现不同的对比度，需要多重照明技术。