机器视觉系统之光源篇
机器视觉(相机、镜头、光源 )全面概括
机器视觉（相机、镜头、光源）全面概括分类：机器视觉2013-08-19 10:52 1133人阅读评论(0) 收藏举报机器视觉工业相机光源镜头1.1.1视觉系统原理描述机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。
机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS 和CCD 两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。
2.1.1视觉系统组成部分视觉系统主要由以下部分组成1.照明光源2.镜头3.工业摄像机4.图像采集/处理卡5.图像处理系统6.其它外部设备2.1.1.1相机篇详细介绍：工业相机又俗称摄像机，相比于传统的民用相机（摄像机）而言，它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等，目前市面上工业相机大多是基于CCD（ChargeCoupled Device）或CMOS（Complementary Metal OxideSemiconductor）芯片的相机。
CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。
它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。
CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它器件是以电流或者电压为信号。
这类成像器件通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。
典型的CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。
CCD作为一种功能器件，与真空管相比，具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。
CMOS图像传感器的开发最早出现在20世纪70 年代初，90 年代初期，随着超大规模集成电路(VLSI) 制造工艺技术的发展，CMOS图像传感器得到迅速发展。
CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上，还具有局部像素的编程随机访问的优点。
机器视觉LED光源照明技术说明
2.
均匀视场的光。
通过相机可以看到物体的侧面轮廓。
背光照明常用于测量物体的尺寸和标定物体的方向。
4.
反射照明，光射到粗糙的遮盖物上，产生无方向、柔和的光，这种光最适合高反射物体。
因这种照明效果，我们将这种光比作在阴天里平和，无方向的光。
6.
暗视场，但通常与被测物体
表面成的夹
角，低角度暗视场光源对
表面细节或边缘效应的
最细小变化很有效果。
翘曲或不平。
、根据检查目标与背景的材质和颜色。
）、使用互补色进行检测：见（图三）
规则：
食品外观日期检测电阻检测电子IC管脚检测包装箱检测
AFT-RD220。
机器视觉光源介绍
监控行业 包装（透过塑料包装） 检测洒瓶异物 电子、半导体检测
可先波长：365-405nm 应用高精度场合
检测金属表面细微划痕 验钞防伪检测 UV固化油墨 烟盒防伪检测
由LED中心波长为850/940nm阵列而成，一般 波长越长穿透性越好，可根据红外相机的 CCD芯片感应波长自由选择，利用穿透性好 的特性来获取理想的图像。适合透过固体或 液体的染料、油墨来观察内容的有无、异物 及字符识别等
显微镜照明
清的部分，是边缘检测、金属表面的刻字和
损伤检测的理想选择
低角度无影光源
独特的照射结构，实现均匀 照射\高效的低角度照明，增 强表面特征\ 提高缺陷对比度 可减反光或耀斑
BGA\QFP位置检测 集成电路料带检测 连接件管教间距及偏移检测 瓶盖裂痕检测
低角度无影光是采用独特的照射结构，从 LED发出的光均匀地扩散照射，柔性线路板 以90度照身角度固定，经漫反射板折射后低 角度照射在被测物体上，对目标区域进行高 效的低角度照明，以强化表面特征。
高亮条形光源
亮度高，方向性好 尺寸灵活多变 结构\角度可自由组合\调整 安装方便、结构紧凑 适用范围广泛
大尺寸液晶面板缺陷检测 金属表面缺陷检测 印刷字符缺检测 连倿器引脚平整度检测 表面裂缝检测 边缘缺陷检测
由高密度直插式LED阵列组成，适合大幅面 尺寸检测。多个条形光源可自由组合，照射 角度也可自由调整，某些情况下可代替环形 光。
均匀性高、尺寸灵活多变 高均匀条形光源 结构\角度可自由组合\调整
安装方便，结构紧凑
大面积尺寸测量 金属表面缺陷检测 印刷字符缺陷检测 边缘缺陷检测
由高密度贴片式LED阵列组成，高亮度高均 匀的特点，可当前向光使用亦可背部光使 用，在某种情况下，用于背部光配套线阵相 机在高速运动时可达到理想的效果。
机器视觉光源
当我们需要得到高对比度物体图像的时候，这 种类型的光很有效。但是当我们用它照在光亮 或反射的材料上时，会引起像镜面的反光。通 用照明一般采用环状或点状照明。环灯是一种 常用的通用照明方式，其很容易安装在镜头， 可给漫反射表面提供足够的照明。
机器视觉专业图像采集产品及设备供应商
直射光：入射光基本上来自一个方向，射角小，它能投射出物体阴影 散射光：入射光来自多个方向，甚至于所有的方向，它不会投射出明显的阴影
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LED光源
• 机器视觉光源照明技术基础知识
光谱：光是由单一的或多种成份的光谱组成
的，例如日光的光谱就是由从红外到紫外的 所有光谱组成的，人眼能感觉的光谱范围在 380nm至780nm之间，即从红色780nm到紫 色380nm。
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LED光源
• 机器视觉光源的分类和选型
以光源的外形来分类
• • • • • •
条状光源 环状光源 碗状光源 同轴光源 方形光源 点光源
环形直射光 环形漫反射光 环形低角度光 方形低角度光源 方形低角度漫射 方形直射
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LED光源
• 机器视觉光源的分类和选型
针对具体的应用，从众多的方案中选择一个最好的照明系统是整个图像处理系 统稳定工作的关键。遗憾的是，没有一个通用的照明系统能够适应各种场合。 但由于LED光源多形状及多颜色等特点，我们还是找到一些选光源的方法:
观察试验法(Look and Experiment-最常用的) 尝试着用不同类型的光源在不同的位置照射物体，然后通过相机观察图像 科学分析法(Scientific Analysis-最有效的) 分析成像的环境，推荐最好的解决方法。
机器视觉5-工业光源
工业光源介绍
• 典型的照明案例-低角度正光
光线从侧面以很低的角度打向待测物体，平面的 部分因为反光形成暗场，而不平整的部分，光的 反射杂乱会进入 相机，形成亮区域。多用于有一 定高低起伏的轮廓特征的提取。
工业光源介绍
工业光源介绍
工业光源介绍
工业光源介绍
工业光源介绍
工业光源介绍
• 典型的照明案例-无影照明
工业光源介绍
• 照明的基本原理
获得一副图像就是通过感光芯片去捕获进入的光线， 进入的光线越多，获得的图像越亮。
直射光：光线直接摄入相机，背遮挡的地方会形成黑色剪影。 反射光：照射到物体上会形成反射进入相机。反射光又分镜面反射 和漫反射。
直射
镜面反射
漫反射
工业光源介绍
பைடு நூலகம்
• 光源的基本种类
环形光
条形光
工业光源介绍
工业光源介绍
工业光源介绍
• 典型的照明案例-红外与紫外
红外
紫外
红外光源有很强的穿透性，能穿透较薄 的塑料、液体和纺织物。但无法穿透金 属物体。常用于金属物体探测。
紫外光源有很好的荧光效应和散射效应。 但波长较短的紫外光对人体会有伤害， 因此在食品行业和某些特殊应用场合。
因为红外和紫外是不可见光，不会因为LED的强光刺激人眼。
工业光源介绍
工业光源介绍
工业光源介绍
• 典型的照明案例-高角度正光
光线从正上方打向待测物体，平面的部分会反光 形成明场，而高低起伏的部分，光会发散，进不 了 相机，形成暗区域。多用于细节的观察和表面 高低不平的伤缺、划痕。
小提示：正面高角度打光的均匀性调节有一定的难度。成像的效 果靠的是反光特性，不同材质的物体，反光特性差异很大。
【机器视觉】机器视觉光源详解...
【机器视觉】机器视觉光源详解...00. 目录文章目录•o00. 目录o01. 自然光介绍o02. 光的颜色介绍o03. 机器视觉光源o▪ 3.1 环形光源▪ 3.2 条形光源(常规型)▪ 3.3 条形光源(非标型)▪ 3.4 条形组合光源▪ 3.5 高亮高均条形光源▪ 3.6 面光源(背光源)▪ 3.7 平行面光源▪ 3.8 开孔面光源▪ 3.9 侧面道光背光源▪ 3.10 同轴光源▪ 3.11 直角同轴光源▪ 3.12 高亮高均同轴光源▪ 3.13 同轴平行光源▪ 3.14 线性光源▪ 3.15 圆顶光源▪ 3.16 隧道光源o04. 附录01. 自然光介绍在生活中，光主要来自于太阳光，而太阳光的辐射也是最为全面的，虽然太阳光看起来是没有颜色的，但是太阳光的组合成分却是最为复杂，即太阳光是复合光线，接下来介绍下太阳光的组合成分；太阳光主要分为两部分：不可见光，可见光；不可见光主要分为红外区域的不可见光和紫外区域的不可见光：可见光主要是波长为760nm~380nm 的光，而这部分光可以通过对太阳光使用三棱镜色散获取到；在表现不同的可见光中，不同波长的光线呈现不同的颜色，即波长决定特定颜色的特征；在日常生活中，太阳光/白光包含多种颜色波段的光，而这种白光可以通过三棱镜进行分解，这些我们在初级物理中即可了解到；机器视觉光源主要用到的是可见光、部分红外光、部分紫外光；02. 光的颜色介绍机器视觉中光的颜色介绍（1）白色光：机器视觉中白色光分为冷、暖、中间色调颜色，通常在拍摄彩色图像时使用此类光源效果较好，如果对于彩色图像中某一部分有特殊需求，可以另做相关操作；（2）蓝光：三原色光中的其中一种，比较适用于银色背景下的目标物的打光；（3）红光：同属于三原色光中的一种，可以透过一些比较暗的物体，也可以根据颜色的吸收等不同的方法，实现不同打光效果，突出检测目标的特征，并且红色光源能够提高对比度；（4）绿光：主要针对于红色背景、银色背景，并且在3C 应用中，传送带多数为绿色；（5）红外光：属于不可见光之一，透过力强，对于塑料穿透性好，可以将封装好的金属电路等内部元件显示出来，在此种应用场景下，效果和 X 射线一样好，且对于人体无伤害；（6）紫外光：属于不可见光之一，波长较短，且穿透力强，主要应用于证件检测，触摸屏ITO 检测，点胶溢胶检测，金属表面划痕检测等；（7）X-ray 激光：波长短，穿透性好，可以用于透视检测、轮毂划痕及裂纹检测等；可见光的三原色光的三原色包括R 、G 、B （红、绿、蓝）三种颜色的光，生活中以及工业视觉中不同颜色的光均可以通过以上三种光进行合成；如下：红 + 绿 = 黄红 + 蓝 = 青红 + 绿 + 蓝 = 白且红、绿、蓝三种颜色均不能被再次分解，适用这三种颜色基本可以形成所有的颜色；如下示例图像所示的加色规律：根据光的颜色以及光的冷暖，可以将不同颜色形成一个色环，如下图所示，相邻的颜色是相似色，相对颜色是相对色；机器视觉系统中光源的作用1.强化特征，弱化背景2.突出测量特征3.提高图像信息4.简化算法5.减低系统设计的复杂度6.提高系统的检查精度、速度03. 机器视觉光源3.1 环形光源机器视觉光源工业照明检测LED光源环形光源产品描述环形光源采用高柔性基板材质，独特的制作方法，可以任意角度弯曲，以构成具有最佳外径、内径和照射角度的照明系统。
机器视觉及其应用技术 第2版 项目2 光源系统的认知与选择
前光源
高角度：明场照明 低角度：暗场照明
前光源
背光源
特点：背光源与前光源在放置位置上刚好相反，放置于待测物体背面，能充分突出待测物体的轮廓信息。
背光源照射下齿轮图片
环形光源
特点：能为待测物体提供大面积均衡的照明。可大大减少阴影、提高对比度。但应用距离不合适时会造 成环形反光现象。
亮
热多，持续光
5000~7000
较亮
发热少，较便宜
任务2 • 任务2：手机电池尺寸测量中光源的选择
普通面光与平行面光比较
练一练
• 取一带倒角物体，分别用普通面光和平行面光照明，观察图像效果
手机电池取相效果
谢谢观看~
总结应用场合
几种典型光源
几种典型光源特性比较
光源 卤素灯
颜色 白色，偏黄
荧光灯
白色，偏绿
LED灯
红、黄、绿、白蓝
氙灯
白色，偏蓝
电致发光管 由发光频率决定
寿命/h 5000~7000 5000~7000
发光亮度 很亮
特点 发热多，较便宜
亮
较ห้องสมุดไป่ตู้宜
6000~100000
较亮
固体，能做成很多形状
3000~7000
环形光源
蓝色环形光源应用
环形光源
环形光源应用
点光源
特点：结构紧凑，能够使光线集中照射在一个特定距离的小视场范围。
点光源
• 点光源应用
几种不同照明技术
练一练
• 分别取直射光与漫射光，分别照射同一物体，观察图像效果。 • 取一枚硬币，用高角度和低角度光源进行照明，观察图像效果差
机器视觉中光源的特点及选择应用
机器视觉中光源的特点及选择应用机器视觉是一种高精度、高速度的自动化检测技术，它的核心是通过图像识别和处理技术，对产品进行检测和质量控制。
而在机器视觉中，光源则是不可或缺的一部分，它能够影响着图像的质量和检测的精度。
本文将从机器视觉中光源的特点以及选择应用两个方面进行探讨。
一、机器视觉中光源的特点1.稳定性机器视觉需要对产品进行连续性的检测，因此光源的稳定性非常重要。
如果光源不稳定，那么会导致图像的质量不稳定，从而影响检测的精度。
2.色温在机器视觉中，色温是一个非常重要的因素。
如果光源的色温不合适，那么会导致图像的颜色不真实，从而影响检测的精度。
因此，在机器视觉中选择合适的色温的光源是非常重要的。
3.亮度光源的亮度也是机器视觉中需要考虑的因素之一。
如果光源的亮度太强或者太弱，都会影响到图像的质量和检测的精度。
因此，在选择光源时需要考虑到亮度。
二、机器视觉中光源的选择应用1.白光源白光源是机器视觉中最常用的光源之一。
它的特点是色温较高，亮度较均匀。
在机器视觉中，白光源常常用来检测表面的缺陷、裂痕、污渍等。
2.红外光源红外光源是机器视觉中一种非常特殊的光源。
它的特点是它可以穿透物体，从而得到物体内部的信息。
在机器视觉中，红外光源常常用来检测电子产品、玻璃制品等内部的缺陷。
3.激光光源激光光源是机器视觉中一种非常特殊的光源。
它的特点是它可以进行非常精确的测量。
在机器视觉中，激光光源常常用来检测金属制品、精密零件等的尺寸、位置等精度要求较高的项目。
总之，机器视觉中光源的特点和选择应用是非常重要的。
只有选择合适的光源，才能够确保机器视觉的检测精度和效果。
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表面光滑
表面粗糙
明亮 与照射距离无关 与角度有关 不反映照射物的颜色
较暗 与照射距离有关 与角度无关 反映照射物的颜色
照明技术之二
• 明视野和暗视野 (Bright field & Dark field)
照明 (暗视野 暗视野) 暗视野 反射光 (明视野 明视野) 明视野
照射平面 散乱光
透射光 (明视野 明视野) 明视野 (暗视野 暗视野) 暗视野
V-44系列
光源配件的应用
• 防外乱光滤镜的应用
金属工件的轮廓检测
由于来自室内的光源产生了漫射 光，其他不需要的细节也进入了 摄像机
添加滤镜将漫射光滤掉， 添加滤镜将漫射光滤掉，从而得 到对比度良好的对象轮廓
光源配件的应用
• 光线控制薄膜(Light control film)
• 排列着微细遮光线条的 塑料薄膜 • 由微细遮光线条控制光 线的方向和指向性 • 将散射光转化为类似平 行光
照明技术之二
明视野： 用直射光来观察对象 物（散乱光呈黑色）
FPQ-75 LWD 90mm
暗视野： 用散乱光来观察对象 物（散乱光呈白色）
FPQ-75 LWD 10mm
照明技术之二
• 案例一
塑料饮料瓶肩部OCR——条型照明(直接光)
明视野照明
暗视野照明
照明技术之二
• 案例二
硬币铸造
明视野照明 暗视野照明
光源配件的应用
• 偏光器(Polarizer)
偏光镜片 偏光板
两者结合，用来消除照明时产生的泛光
光源配件的应用
• 偏光器的工作原理
偏光镜片 偏光板
光源A
光源B
光源配件的应用
• 偏光技术的应用
未使用偏光器 使用偏光器
光源配件的应用
• 防外乱光滤镜(Shape-cut filter)
R-64系列
LED光源的颜色 LED光源的颜色
• 主要颜色
• • • • 红色 蓝色 绿色 白色
• 其他颜色
• 橙色 • 红外 • 紫外
LED光源的光谱 LED光源的光谱
• 每一种类型 的LED都有 特别的光谱 • CCD摄像机 的灵敏度受 光谱的影响
光源对成像的影响
• 根据被测物的特征改变打光方式，可以突出被测物
中国大恒（集团） 中国大恒（集团）有限公司北京图像视觉技术分公司
谢谢
E-mail：zhangyong@
光源配件的应用
• 光线控制薄膜的使用
光线控制薄膜
光源配件的应用
光源配件的应用
光线控制薄膜 – 光亮度分布数据
同轴照明：LFV-50A
装上LC薄膜后
LFV-50A＋LC-薄膜
10mm
10mm
同轴照明的发光 面有泛光现象
光量下降约40%， 但没有泛光现象
光源配件的应用
• 光线控制薄膜的应用
螺钉的轮廓检测
照明技术之三
• 折射照明 (Refraction light)
• 光由一种介质(物质)斜射到另一种介质，传播方向 发生改变 • 当入射角满足一定的条件时，不会发生折射
照明技术之三
钻石 棱角测定
照明技术之四
• 透射照明 (Penetrating light)——背光的运用
• 透射照明，即使光线透射对象物，并观察其透射 光的照明手法 • 因材质和厚度不同，对光的透过特性(透明度)各异 • 光根据其波长之长短，对物质的穿透能力(穿透率) 各异 扩散比率
R、C；G、M；B、Y互为补色 、 ； 、 ； 、 互为补色
红
光的三原色 •R–红 •G–绿 •B–蓝
绿
黄 白 品红
色彩的三原色 •C–青 • M – 品红 •Y–黄
蓝
青
照明技术之五
• 非发光物体的颜色
白色光 (混合色) 照射物
蓝色
其它颜色 被吸收
照明技术之五
• 测试
白光 红光
蓝光
绿光
照明技术之五
光源对成像的影响
• 根据被测物的特征改变光源的颜色，可以得到对比鲜明的图像
照明技术的基础知识
• 光在真空中呈直线传播 • 光的反射
• 入射角 = 反射角
• 光的折射
• 受到材质的影响
• 光的透射
• 材质和厚度影响透射率 • 光的波长越长,对物质的透过力越强
• 光的吸收
• 形成色差
照明技术的基础知识
• 波长越长，对物质的 透过力越强。 • 波长越短，在物质表 面的扩散率(反射和透 射的比率)越大
颜色 红外 红 绿 蓝 紫外 波长(nm) 波长 950 660 525 470 370 扩散比率 0.23 1.00 2.25 3.89 10.12
照明技术之四
• 案例一
读取塑封带内的TSOP型号 型号 读取塑封带内的
LED光源的优势 LED光源的优势
可制成各种形状、尺寸及各种照射角度； 可根据需要制成各种颜色，并可以随时调节亮度； 通过散热装置，散热效果更好，光亮度更稳定； 使用寿命长（约3万小时，间断使用寿命更长）； 反应快捷，可在10微秒或更短的时间内达到最大亮度； 电源带有外触发，可以通过计算机控制，起动速度快， 可以用作频闪灯； • 运行成本低、寿命长的LED，会在综合成本和性能方 面体现出更大的优势； • 可根据客户的需要，进行特殊设计。 • • • • • •
中国大恒（集团） 中国大恒（集团）有限公司北京图像视觉技术分公司
机器视觉系统 —光源篇
主讲人：刘伟
为什么要使用光源
• 目的
• 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
手表玻璃表 面划痕检测
• 重要性
• 直接影响处理精度和速度， 甚至系统的成败，
错误图像
理想图像
光源的种类
• 理想的光源应该是明亮，均匀，稳定的 • 视觉系统使用的光源主要有三种
照明技术之五
• 案例一
树脂芯片的表面检测
使用红光单独检测芯片
使用绿光可以检测芯片和导线
照明技术之五
• 案例二 金属涂层的表面检测(铜导线上涂有银涂层)
使用红光可以检测基板 使用蓝光可以检测图层Biblioteka 照明技术之五• 案例三
BGA焊点检测
使用红光出现问题： 可以看到底部的导线 使用蓝光可以单独提取焊接点
无光线控制薄膜 有光线控制薄膜
光源配件的应用
• 平行光学装置(Collimated-lighting)
光源配件的应用
太阳 灯泡
平行光
散射光
光源配件的应用
• 平行光的应用
纽扣电池表面的凹陷和划痕
同轴光 平行光
选择光源的前提
• 摄像机的种类 • 摄像机的视野和工作距离 • 照明和被测物之间的距离 • 被测物的形状、材质、纹理和颜色等 • 被测物的运动速度 • 工作环境的温度、外乱光等
• 高频荧光灯 • 光纤卤素灯 • LED（发光二极管）光源
光源的种类
• 高频荧光灯
• 使用寿命约1500－ 3000小时 • 优点：扩散性好、适 合大面积均匀照射 • 缺点：响应速度慢， 亮度较暗
光源的种类
• 光纤卤素灯
• 使用寿命约1000小时 • 优点：亮度高 • 缺点：响应速度慢， 几乎没有光亮度和色 温的变化
• 照射角度一致的光。太阳光就是平行光。发光角度越窄的LED 直射光越接近平行光。
照明技术之一
• 直射光和漫射光 (Regular light & Diffused light)
明亮、射角窄、会有光点
较暗、射角宽 无光点、光斑均匀
照明技术之一
• 镜面反射和漫反射 (Regular reflection & Diffused reflection)
光源的种类
• LED光源 光源
• 使用寿命约10000－ 30000小时 • 可以使用多个LED达 LED 到高亮度，同时可组 合不同的形状 • 响应速度快，波长可 以根据用途选择
光源的对比
高频荧光灯 价格 亮度 稳定性 闪光装置 使用寿命 光线均匀度 多色光 复杂设计 温度影响 低 低 低 无 中 高 无 低 中 卤素灯 高 高 中 无 低 中 无 中 低 LED光源 LED光源 中 中 高 有 高 低 有 高 高
使用红色照明(660nm) 使用蓝色照明(470nm)
照明技术之四
• 案例二
印刷字检测 (LDL-42x15-BL)
照明技术之四
• 案例三
药片包装 (LDL-TP-51x51)
照明技术之四
• 案例四
电缆导线的破损检查
使用LFV-70同轴光 使用LFL-100平面背光
照明技术之五
• 颜色和补色
• 照射光的种类
直射光
• 主要来自于一个方向的光，可以在亮色和暗色阴影之间产生相 对高的对比度图像。
漫射光（扩散光）
• 各种角度的光源混合在一起的光。日常的生活用光几乎都是扩 散光。
偏光光
• 在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿某一个固定方向振动 的光。通常是利用偏光板（片）来防止特定方向的反射。
平行光