遠心照明：為何機器視覺應用中需要它

遠心照明：為何機器視覺應用中需要它 

成像和檢測項目需要采用光學元件并進行校準，以實現優良性能。這些機器視覺檢測應用
采用成像鏡頭、照明源、相機和機械裝置作為關鍵元件。成像鏡頭和相機的選擇是應用獲得成功的重要組成部分；但照明同樣也很重要。遠心照明是照明幾何類型之一。何為遠心照明？與背光照明相比，遠心照明如何幫助產生更好的結果？要問答這些問題，我們需要思考一下照明理論、優點以及實際的檢測應用

遠心照明理論

在光學中，遠心度是某些多元件鏡頭設計的*特性，主光線對準并平行于像方和/或物方的光軸（圖 1）。遠心度的一個關鍵特征，就是恒定的放大倍率，不受圖像或物體位置的影響。遠心度分為三類：物方、像方和物像兩方。有關更多信息和定義，請參閱遠心度的優點.

圖1:主光線平行于光軸的遠心度示例

在照明理論中，也可以采用主光線對準并與光軸平行的概念。即采用遠心照明器 – 有時稱之為平行背光源。遠心照明器（例如TECHSPEC® 遠心背光光源）, 利用光學原理將來自光導纖維或 LED 的光線引導至被檢查的物體上，產生高對比度的輪廓。遠心照明器降低了物體的漫反射，從而提高了邊緣對比度和測量準確度。平行光線從照明器射出，在照射到物體表面上時仍保持平行（圖 2a）。相反，從標準背光源發出的光線則會放大和相互干擾，終形成漫反射（圖 2b）。有關教學示例，請參閱 EO成像實驗室2.2: 遠心度.

圖2a:遠心照明器射出的平行光線

圖2b:標準背光源產生的漫反射

遠心照明如何產生高對比度輪廓?

遠心照明器
工作原理是利用優質光學玻璃鏡片使光纖光導或 LED 射燈的光線保持平行。從光源射出的發散光線進入多鏡片組件，因此平行且高度集中。幾乎所有進入遠心照明器的光線（忽略背向反射和各個光學鏡片的光線吸收）都會照射到被檢測物體上。此外，許多遠心照明器都帶有虹膜，用于控制所提供照明的強度。

遠心照明有何秘訣?

與 LED 圖形投影儀和十字線相結合時，標準遠心成像鏡頭可以用作遠心照明器. 與典型遠心照明器一樣，通過遠心成像鏡頭的光線是準直的，在形成物體輪廓時消除漫反射。然而，與遠心照明器不同的是，使用遠心成像鏡頭時，LED 投影儀上的缺陷可能會被檢測出來.

遠心照明的優點 
遠心照明是測量應用的理想之選，在這種應用中，準確性、可重復性和光通量對成功測量至關重要。為了產生優良效果，請認真考慮遠心照明的八大好處：

1?、優異的微小缺陷檢測能力

2?、與標準背光照明相比測量準確性和可重復性更高

3?、消除了漫反射導致的模糊邊緣

4?、提高了平行光線的光強度

5?、消除模糊邊緣和提高光強度帶來了高對比度圖像

6?、提高光強度后縮短了相機曝光時間

7?、與標準背光照明相比系統速度更快、光通量更大

8?、物體和照明源間距增大

應用范例 

理解遠心照明的理論 是重要的開端。接下來是分析這種照明幾何的實際應用，以理解為什么在機器視覺應用中需要它。遠心照明的優點適合高速成像、工廠自動化、顯示輪廓以及缺陷和邊緣檢測等各種應用。

其中一個例子是測量和檢測不銹鋼柱中的螺紋直徑。檢測物體小(10mm)，需要測量螺距，這都會妨礙視覺分揀。這種應用初采用的檢測系統是 640 x 480 像素電荷耦合相機，然后在相機的0.6X TECHSPEC® SilverTL™ 遠心鏡頭#56-675前方加裝標準 LED 背光源。包裝機器人將零件從生產轉盤移動至視覺系統進行圖像采集。然后揀貨機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品收集桶。

雖然設計精巧，但標準背光系統無法檢測小于 10mm 的零件，且檢測限值為 10ppm，而新生產流程需要達到 40ppm。此外，發散的 LED 背光源產生的光強度低，需要長達 2.5 毫秒的曝光時間；新生產線速度只允許在 800 微秒內捕捉到清晰圖像。一個簡單的解決方法是提高相機增益設置，縮短曝光時間。但這會增大系統信噪比，導致測量準確性降低。

圖3a:遠心照明系統在接桿上的成像螺紋直徑

圖3b:標準背光系統在接桿上的成像螺紋直徑

答案很明顯– 遠心照明！將發散的 LED 背光源替換為TECHSPEC® 遠心背光照明器#62-760, 照射到螺紋上的光強度就會增大，同時減小漫反射，縮短相機曝光時間，提高圖像整體對比度。圖 3a – 3b 比較了遠心照明系統和標準背光系統。請注意，機械設置幾乎相同，只有細微修改。

圖4a:遠心照明系統產生的邊緣清晰的輪廓

圖4b:標準背光系統產生的模糊邊緣輪廓

在原始設備中，背光源產生的漫反射會產生模糊邊緣。替換為遠心照明器之后, 邊緣就清晰起來，而且易于確定是否通過檢測（圖 4a – 4b）。此外，使用標準背光源時幾乎看不到螺紋一側的毛邊，而遠心照明器就可以輕松檢測和測量這種毛邊。從技術角度來看，圖 5a – 5b 中的圖表顯示了遠心照明系統和標準背光系統的對比度值。圖 5a 中的勢阱越寬，對比度就越大，就會產生較高的測量準確性。

圖5a:使用遠心照明系統的高對比度

圖5b:使用標準背光系統的對比度

遠心照明
有利于高速成像、工廠自動化、顯示輪廓以及缺陷和邊緣檢測等機器視覺應用。與標準背光源不同的是，采用遠心照明可以產生清晰的輪廓，特別適合檢測邊緣和缺陷。遠心照明的這種優點對需要高對比度無模糊邊緣圖像的應用和高速自動化應用來說至關重要。