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了解独特的机器视觉照明方法


时间:2019-09-29

应用领域:机器视觉照明


    线性、远心和漫射轴向照明技术均为不同的应用提供了独特的优势

图1 线性照明是检查半导体晶圆和其他镜面或半镜面物体的理想选择

    适当的光照对机器视觉应用的成功至关重要。不同的用例需要非常不同的照明类型来最大化性能。本文介绍了几种独特的机器视觉照明方法,如线性照明、远心照明和漫射轴向照明的优点、缺点和用例。
    线性或同轴照明(图1)将光源(例如光纤光导或LED光源)直接并入成像透镜系统的光学系列中,通常使用分束器。这是一种明场照明,这意味着镜面反射会回到镜头,因为反射的入射角小于镜头的视场。与其他明场照明技术一样,在线照明会产生具有明亮物体的图像,以抵抗黑暗背景。

图2 远心成像镜头具有集成的在线照明功能

    与使用其他类型的照明(例如漫射轴向照明)的那些相比,线性照明通常导致更紧凑的视觉系统。理想情况下,用于线性照明的光源(图2)应足够大,以便被视为漫反射,因为这可以防止光源本身从物体的高光部分反射回成像系统。

 

图3 使用暗场照明(左)和在线照明(右)拍摄的ccd图像的比较显示,在线照明导致;a:电线和ccd其余部分之间的更明显对比度;b:面板上的芯片显示为暗而不是光,以及C:均匀照明,对比度一致,暗场照明导致图像对比度不一致。

    线性照明的光线路径使其非常适合检查镜面或半镜面物体,如半导体或CCD传感器。图3比较了使用在线照明捕获的CCD传感器的图像与使用暗场照明捕获的相同CCD传感器的图像的比较。虽然在线照明提供均匀照明,在镜面物体的精细特征之间具有一致的对比度,但其主要缺点是杂散光和低对比度。一部分光线将从分束器的表面反射回到相机而不到达物体,导致图像的一般“清洗”。这也可能在图像中心产生热点,因为大多数杂散光将落在相机传感器的中间。

图4 传统的背光照明器产生漫反射(a),而远心照明器产生准直光(b)

    远心照明是背光的一种特殊情况,其中光源是准直的,而不是漫射的。来自照明器任何视场点的光线将与所有其他照明光线平行(图4)。远心照明器不是将镜面反射物体反射回成像透镜,而是由远心透镜组件和背光物体的LED光源组成的独立模块。
    离开照明器的准直光线照射物体而不撞击面向成像系统的表面,而传统的背光照明器具有从锐角射入的光线,其射到物体的前面并散射回成像透镜。这导致边缘特征在传统背光照明中变亮并失去对比度(图5)。

图5 在比较传统背光(a)和远心照明(b)时,很明显远心照明会产生更多的边缘对比度

    远心照明器的主要优点是高水平的准直,这增加了边缘对比度,使其成为精确测量和测量应用的理想选择。这些高对比度的轮廓可以对小缺陷进行卓越的识别和测量,提高测量的可重复性和精度,并能够减小照明器和物体之间的距离。传统的背光照明需要在照明器和物体之间有更大的距离,以减少陡峭角度的光线散射。
    远心照明器也提供高均匀性。然而,远心照明器往往比市场上其他照明选择更大和更昂贵。前透镜元件的尺寸决定了被照明点的直径,从而导致更大的系统尺寸和重量。远心照明器对透镜和光源之间的对准也很敏感。

图6 在这种典型的漫反射轴向照明设置中,成像透镜通过分束器观察,分束器将来自外部漫反射源的光引入朝向物体的光路

    在漫射轴向照明中,透镜通过分束器观察,分束器将外部漫射源的光引入朝向物体的光路(图6)。分束器后的照明和镜头是同轴的,类似于在线照明。然而,漫反射轴照明通过亮场和暗场照明方法的组合以多种不同的角度将光投射到对象上。
    漫反射轴向照明导致非常均匀和漫反射照明,减少眩光和由镜面和漫反射对象引起的亮点。然而,漫反射轴向照明往往比在线照明更大,更难安装。它也有一个有限的工作距离范围,相对较低的吞吐量。可能需要多个光纤光源来提供适当的照明。与在线照明一样,光源的大面积会导致任何镜面反射将光源的足够大的图像反射回相机,从而不会形成单个热点。镜面反射对象将均匀照明。
    没有单一的照明方法是所有情况下的最佳选择。成像对象和检测目标影响不同照明技术的有效性,使得照明的选择高度依赖于应用。对物体轮廓的高精度测量得益于远心照明,而对高光物体(如半导体晶片)的空间约束检查将更多地得益于同轴或漫射轴向照明。了解不同类型的可用照明将确保您选择适当的照明方法以最大限度地提高系统性能。

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