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【案例】浅谈视觉光源尺寸选型方法
2024-08-24
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一、背景

  在进行视觉光源方案评估时,应预留多大的位置给视觉光源,是一个很考验工程师的技术问题。


  评估时,如果前期机构设计未提前做光源测试验证,后期大概率会出现机构预留空间过小的难题。即实际可用的光源往往比原来预留的位置大,从而与机构发生干涉;如果为了满足尺寸要求,采用可安装的小光源,极可能因光源不符导致成像质量差,照射效果不理想等问题,从而影响整个项目的进展。最终还是需要根据实际光源大小,不得已改动机构安装空间,整个过程费时费力。


  因而在评估视觉方案时,前期做好光源选型评估尤为重要,目前大部分的视觉方案都是先进行打光测试,确定好光源大小与高度后,再进行视觉部分的机构设计,这对后期整个项目顺利开展会有很大帮助。


二、选型案例
  下图是两张光源大与小的成像对比图:图1由于光源小、导致光斑不能覆盖视野区域;图2光源大小合适,能覆盖整个视野区域,整体效果均匀,检测特征明显。

图1:成像效果图
图2:成像效果图


  那我们怎样才能在未经初期打光实测的情况下,选择大小合适的光源呢?在拿到测试样品后,我们需要去了解检测特征,判断光源的光路类型与颜色,当选好这些后,我们就可以判断所需光源的大小了。
这里主要有三点作为参考依据。第一点:照射方式,照射方式有两种,一为正面照射,二为底部背光照射;第二点:镜头选择,镜头有两种,分别为FA镜头及远心镜头;第三点:光源架构光源的工作距离与视野大小。


三、照射方式
  由正面照射方式去判断检测产品面是否光滑反光,不反光的面对光源大小要求不高,大概为视野的1/2大小的光源即可。
  重点以反光面为例去判断如何选择光源的大小,首先需检测反光面上的特征,需将光斑布满整个视野均匀成像,这样能有更好的对比度。
  同时要知道出三个参数:相机的靶心尺寸、相机到检测面的工作距离、视野大小(视野长与宽对应的是相机芯片的长宽)。其次镜头是FA镜头还需了解下夹角参数。这样可以得出相机镜头的投射角度与反射角度,如下图(图3、图4、图5),可以看到投射与反射形成的一个W状的图形,如果光源在投射角度外(如图3),反射角度内就会有光斑存在;如果光源在反射角度临界位置(如图4),那成像的视野边就会看到光斑;只有光源在反射边(W)以外(如图5),这样才是一个均匀的成像效果图。


图3、光源在投射角外
图4、光源在反射角临界区域 
图5、光源在反射角外


图6、光源位置太近有光斑
图7、光源临界区域边有光斑
图8、光源位置合适均匀效果好


  底部背光照射同理,但是不需要计算反射角,光源离检测面越远投射的角度延伸宽度距离就越大,FA镜头选择背光时可以这样去计算评估。如下图所示:

图9、光面大小不够 
图10、光面大小刚好
图11、光面太大


四、镜头选择
  上面的两种照射方式只说到FA镜头,并且图文也是以FA镜头举例参考,那么还有一种镜头需要说明,也就是常用的远心镜头,远心镜头基本为平行光路类型,所以在配合远心镜头选择光源大小时,我们只需要比实际的视野略大一点即可。如下图所示:


图12、远心镜头正面照射图  
图13、远心镜头底部背光照射图


五、光源架构光源的工作距离与视野大小
  已知相机靶心与工作距离、镜头夹角、光源工作距离与视野后,就可以通过计算来确定光源的大小。同时还可以通过CAD等绘图软件按参数绘制出图形,直观的看出光源的光斑在哪个位置,确定是否选到大小合适的光源。如下图所示:

图14、采用FA计算参考值 
图15、采用远心镜头计算参考值


  当镜头为普通FA镜头时,由相似三角形的特征可得到光源工作距离Wd与面光长L度的关系:

  当镜头为远心镜头时,选择光源的安装位置只需要保证: L>FOV。

六、结语
  以上就是视觉光源在选型时常用的方法,希望对大家有帮助。在机器视觉检测方案中,视觉光源选型是重要的组成部分,光源方案的正确选择有利于整个视觉系统的顺利完成,合适的光源可有效能节省成本及机构安装空间。

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