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技术文章

照明技术:背光和波长对于机器视觉系统的影响

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  在机器视觉中,背光是常见和有用的照明技术之一。它通常用于零件的存在/不存在,测量和方向/位置,尤其是在与拾放或视觉引导的机器人应用程序结合使用时。但是,将背光照明纳入机器视觉系统可能会很困难,这主要是因为部件放置的几何形状需要进入相机和背光照明的零件顶部和底部(或正面和背面)。

 

背光视觉系统的挣扎

 

  此外,当零件在输送线上移动时,部件放置的几何形状会受到限制,尤其是在无法将背光有效地插入产品的“输送机”上的情况下(图1a)。这些机器视觉应用中的大多数只需要一个轮廓即可有效地产生即时对比度(通常称为白色背景黑色部分),在这种情况下,预计光线不会穿透该部分(请参见图1b)。

 

  但是,黑白轮廓主题存在变化-即那些需要光线以不同方式穿透零件的应用。例如,这可能包括需要在另一个对象中定位具有不同成分或质地的固体对象或在包装中标识液位的应用。在此博客文章中,我们将集中讨论差分背光的穿透率,并说明不同波长在何处以及为何有用的各种示例。

 

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▲图1a –背光功能图

 

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▲图1b –典型的轮廓BL图像

 

使用背光灯检查物体是否存在

 

  制药行业中常见的背光应用是在将绷带,衬垫或纱布材料包装成无菌包装后,检查其是否存在。由于插入的物体及其包装都是柔软的,并且通常是半透明的,因此我们可以使用标准背光灯轻松检查是否存在。

 

  图2示出了其密封的无菌纸包装中的小的棉眼垫;在此示例中,视觉系统可以快速验证是否存在,同时可以测量近似的尺寸和形状参数以验证是否包装了正确的垫。将此图像与图2中未插入焊盘的图像进行比较。最后,在图2中,我们可以看到包装中有多个焊盘的结果。注意,在本申请中,背光均匀性不如具有足够的光强度穿透感兴趣的物体及其包装重要。

 

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▲图2 –包装纸中的无菌垫       –不存在无菌垫                –纸中的多个无菌垫

 

波长如何影响背光应用

 

  在背光应用中渗透材料时,具有足够的强度是仅有的解决方案吗?如果考虑可见光谱和近可见光谱(图3),我们会看到白色或人类可见光的波长范围为400 nm至约700 nm。紫外光的范围从400 nm到大约200 nm,红外光的范围从700 nm到更高。

 

  考虑到这些信息,记住光波长和穿透能力之间存在直接的相关性是很有用的。因此,对于相同的材料,例如,在背光应用中波长较长的光(例如红色或IR)可能比蓝色更深。

 

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▲图3 –可见光谱和近可见光谱

 

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▲检查半透明PCB

 

  在此示例中,我们在半透明,填充的PCB上分别使用了红色和近红外表面安装背光灯(分别为图4a和4b)来测试每种波长穿透材料的程度。我们看到,与660 nm红光相比,880 nm红外光更好地定义了板上的走线。但是,我们如何知道红外光不仅相对于摄像机而言强度更高,还是照相机对红外光更为敏感?

 

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▲图4a –具有红色(660nm)BL的PCB           图4b –具有IR(880nm)BL的PCB

 

  更仔细地检查板的图像,我们注意到板的上部有一个孔。将此图像与880 nm红外图像进行比较,可以看到红色(较短波长)的光是如此明亮,以至于在孔边缘都散发出光。考虑到这一点,我们可以得出结论,尽管相机对红光更敏感,但红外光显然可以更好地穿透板子。

 

检查白炽灯泡灯丝

 

  在检查白炽灯泡灯丝时,可以观察到类似的渗透趋势。用470 nm蓝色,660 nm红色和880 nm IR背光(分别为图5a,5b,5c)拍摄的一系列图像说明了这一点。蓝光不会穿透灯泡玻璃和扩散器涂层;红灯显示一些细丝细节;最终,红外灯显然会产生有用的检查细节。

 

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▲图5a –蓝色(470nm)BL     图5b –红色(660nm)BL      图5c – IR(880nm)BL

 

验证瓶中的液位

 

  另一个常见的背光应用是验证瓶子中的液体填充量。在此示例中,有色玻璃瓶包含透明的古龙水。如果我们用常见的红色背光,我们会看到光线没有穿透瓶子(图6a)。基于较长波长的光可以更好地穿透的一般假设,我们切换到880 nm的IR光;请注意,它仍然不能穿透瓶子及其内容物(图6b)。为了完整起见,我们尝试使用波长最短的蓝色光。有趣的是,它可以穿透瓶子并充分地容纳内容物,以验证液体填充高度(图6c)。

 

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▲图6a –红色科隆香水瓶    图6b –带有红外的科隆香水瓶     图6c –蓝色科隆香水瓶

 

  重要的是要注意,根据我们检查的是不透明物体还是半透明物体,零件颜色对对比度的影响不同。对于不透明的物体,我们使用反射光而不是透射光(背光)进行检查,因此特定于波长的颜色对比度非常重要。在对半透明部件进行背光照明时,颜色通常在通过对象的特定于波长的差分光传输中起次要作用,而材料的成分,内部结构和/或纹理在这方面的影响更大。

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