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机器视觉光源

日期: 2020-07-03
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机器视觉光源


机器视觉应用中注意目标颜色与光源颜色的搭配。我们看到某个物体成某种颜色,是因为其反射了对应的光谱。即如果目标是红色的,如果是白色的光照射或者是红色的光照射,都有红色的光返回,那么在黑白相机中将会是白色的,如果是蓝色的光来拍摄,则没有红色的光可以反射,那么其将会是黑色的。基于这样的理论,我们拍摄物体时,如果要将某种颜色打成白色,那么就得使用与此颜色相同或相似的光源(光的波长一样或接近),而如果要打成黑色,则需要选择与目标颜色波长差较大的光源。

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而在镜头的分辨率(能分别最小两点之间的距离)公式δ=0.61λ/NA,λ为波长,NA为数值孔径。从中可以知道,当NA固定时,使用不同波长颜色的光时,镜头的分辨率是不一样的。因此在使用光源时,同一支镜头在蓝色光照下的分辨率通常会高于红色光照条件。


使用机器视觉LED光源,一般都提供几种供电方式可供选择,常见的有5V、12V、24V直流电源,功率根据所用LED的数量多少而定,电压不同会引起什么区别呢?这和LED的特性有关。一般LED的工作电流在10mA~25mA,特别亮的LED可达50mA甚至更高,而LED的电压降一般为1.8V到3.3V,因此通常每个LED上都串联一个电阻(分压电阻),这样才能保证LED发光均匀,而且在电压波动时不易损毁。


那么,由于LED上的电压降和通过的电流都是恒定的,供电电源的电压不同时,多余的电压是串联的电阻所承担的,例如给一颗1.8V、15mA的LED用24V供电时,需要串联1.48KΩ[(24-1.8)/0.015=1480],此时电阻的功耗是0.015*0.015*1480=0.333W,如果使用多个LED颗粒组合成光源,光源会发出很高的热量 ,这时必须采用风扇等强制散热手段,否则光源的寿命会很短。而同样的LED使用5V供电时,串联电阻R=213Ω,电阻的功耗为0.048W,和24V供电时差了近7倍。这时仅仅靠对流产生的散热效应就足够了,不必用强制散热的方法。


既然用低电压有好处,为什么还使用12V、24V呢?原因很简单,由于机器视觉用于工业生产线上,一般24V是标准配置;另外电压高时,搞干扰能力强,而低压则对电源和工作环境提出了更高的要求。是使用恒流源还是恒压源,环境温度有何影响等,均需要考虑。


常亮还是闪亮图片亮暗的控制,除了快门、光圈、增益外,还可以控制光源的亮暗以及亮的时间来控制,我们先来看一下常亮光源和闪光的优缺点。


如果保持稳定的供电,那么光源的亮度基本不变,如果供电使用脉冲,脉冲的时间宽度和LED本身的响应时间决定了发光时间,若是这个时间小于相机快门开启的时间,那么相机的曝光程度是由光源发出的光通量决定的,如果大于快门时间,则由快门决定。


一般情况下,如果需要频闪光源(时间小于快门速度),传统上使用普通的照相机闪光灯,使用LED强度不够,所以以往针对于LED光源来讲,闪光是指光源开启时间大于快门时间的情况。


频闪控制器,通常采用的是超电流的方法,即控制通过LED的电流超出标定的值多少倍,而使亮度增加,但是这种高负荷的工作状态由于功率过大,发热严重,对光源的寿命影响很大,所以通常通电时间都很短,减少光源的工作时间,以此来延长光源的使用时间。


使用频闪控制器,可以获得高亮的光源,可以减少环境的影响,可以减少快门时间从而减少动态拍摄时的拖尾现象,而且如果只需要平常的亮度时,可以使用低亮度的LED发光管,可以降低成本。


但是使用频闪时,电源的成本会提高,而且同步问题也必须考虑,频闪控制器可以从外部输出触发信号来触发光源,也可以从外部输出触发信号来触发频闪控制器,本身输出触发信号同时触发光源与相机,这样能达到光源与相机触发的同步。


机器视觉光源的选择是为了将被测物体与背景尽量明显分别,获得高品质、高对比度的图像。而且视觉光源的正确选择,直接影响系统的成败,处理精度和速度。

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