视觉检测led背光源（LED背光源为视觉系统提供照明方案）

发光二极管（LED）无闪烁、低功耗和更长的使用寿命等优势，令这一技术成为机器视觉系统应用的首选。为了恰当地为特定的产品提供照明，需要了解被照明产品的类型、这些产品被检测的速率，以及如何借助LED照明装置在图像中突出产品的具体特征。

在很多情况下，恰当的照明可以增加图像特征的对比度，便于检查，减少了对昂贵的高精度相机和复杂图像处理软件的需求。这是系统集成商在开发机器视觉系统时优先考虑照明问题的主要原因。

由于在实际生产中每种应用都不尽相同，因此其对应的照明器件的选择、使用光的颜色（或频率）、运行模式都有所不同。

幸运的是，现在网上已经有很多文章极为详细地讨论了这些不同的选择要素。尽管这些文章对选择光源用很大帮助，但它们仍然无法满足每个特定应用的需求，因为每种特定产品的属性大相径庭。为了使每种特定的图像都能获得最大对比度，需要配备特定的照明元件，如背光源、环形光源、穹顶光源、线性光源，这些光源可能配置了运作在紫外（UV）到红外（IR）波段的LED。

解决问题

首先列举一个看似微不足道的例子——检查汽车垫圈内的最大孔径。最初，人们可能会考虑集成简单的白色背光来完成此项任务。尽管这看起来是个再简单不过的任务，但还是要考虑一系列因素，包括垫圈的尺寸、测量分辨率等。

为了给这类产品提供背光，系统中运用了不同尺寸和不同颜色的光源。例如，Advanced illumination公司提供的BLXXYY系列表面贴装的LED背光源，具有多重波长，尺寸最高可达22英寸×34英寸。

如果这些LED背光源的尺寸规格还不够大，还可以采用模块化设计方法，使用边到边（edge-to-edge）背光，整合多重光源，为更大的物体提供照明。目前，包括Advanced illumination公司和Microscan公司在内的很多公司都可提供边到边（edge-to-edge）背光方案。

不同频率

在测量特定部件（如汽车垫圈）参数的系统中，通常会用到漫反射背光。当使用漫反射背光时，LED光源的颜色或波长将影响获得的分辨率，因为单色光可以提供更好的特性对比度。单色光可以减少相机透镜中任何轴向与横向的色差，从而能获得更高的分辨率。

具有不同频率的光源同样适用于测量不透明容器中存储的液体水平。在这些应用中，700~1000nm的长波长红外光可以穿透纸和塑料等材料。红外光同样可用于食品检测（如图1所示）。在这个应用案例中，Smart Vision Lights公司的红外背光被用于检测蓝莓中的日本金龟子。

图1：a）使用白色背光照明检测蓝莓中的日本金龟子，蓝莓和金龟子可以同时被看到。b）使用红外背光照明，红外光可穿透蓝莓，被金龟子吸收，因此即使是被蓝莓遮住的金龟子也能被检测出来。

因为红外光波长可以穿透蓝莓，被金龟子吸收，因此即使是被蓝莓遮住的金龟子也能被检测出来。采用单一波长背光可以提升图像系统的潜在分辨率，此外还可通过平行照明技术降低标准背光产生的漫反射，进一步提升分辨率。

平行光

实现平行光照明的一种方法是使用平行背光照明器，将LED阵列发出的散射光准直到与透镜光轴相同的光轴上，这类典型产品是CCS America公司生产的MFU系列同轴照明器，这些同轴照明器从被检测物体背后发射出平行光，抑制光的散射（如图2所示）。

图2：CCS America公司的MFU系列同轴照明器，从待检测物体的背后发射平行光，抑制光的散射。同轴照明能够提升图像的分辨率。

Camera——相机

Object——物体

This model——模型

图3给出了一个典型的应用案例：用背光源和同轴照明器两种光源照射一个图钉。当用背光照明图钉时，光穿透透明物体，能够检查出图钉内部的构造和缺陷（如图3a所示）；但如果需要测量图钉的尺寸，则采用同轴光，同轴光被折射成生锐利的黑色轮廓（如图3b所示）。

图3：a）当用背光照亮图钉时，光透过透明物体，能够检查到图钉内部的构造和缺陷。b）照射到图钉上的平行光被折射，产生锐利的黑色轮廓。

同轴照明器为系统开发者提供了一种照明小型配件的方法；相比之下，远心背光则提供了一种价格更高的替换方案。当物体需要超高精度测量时，通常选用远心照明。

远心照明

在远心照明系统的设计中，LED的发散光被聚焦，从而降低照射物体轮廓时可能产生的漫反射。为了获得尽可能高的分辨率，配备了远心透镜的相机会捕捉到检测过程中越过或穿过物体的光线。随后，被捕捉到的来自物体的光线被聚焦、并且与光轴平行。

当用远心照明被当作背光使用时，系统设计师可以为相机系统配备三种不同类型的远心镜头。目前很多公司能够提供远心镜头，如Edmund Optics公司，远心镜头的种类有：物方远心镜头、像方远心镜头和双远心镜头。当使用物方远心镜头时，在镜头的远心深度内，物体与镜头之间微小的距离变化不会改变物体的放大率。

当需要对物体进行精密测量时，该特性尤为重要，特别是在物体没有被精确地放在像平面中时。同样地，在像方远心设计中，镜头到CCD或CMOS成像器之间的微小距离变化，并不会影像图像测量的精度。

双远心镜头集成物方远心镜头和像方远心镜头的优势，能够提供最高的测量精度。与其他类型的背光一样，远心照明系统可以提供不同的尺寸和波长。Opto Engineering公司的LT CL系列可提供平行远心背光，特征光束直径范围16~300 mm，并有紫外、红光、绿光、蓝光、白光和红外光可供选择。作为这些产品的补充，Opto Engineering公司还为面阵相机和基于线性扫描检测器的相机提供双远心镜头。

为了展示远心照明系统的效果，Light Works公司给出了一系列塑料护目镜的图片，并在护目镜视场中放置了一根头发（如图4所示）。当用传统镜头和散射背光成像时，得到的唯一的重要特征就是那根头发（如图4a所示）。使用远心镜头及散射背光成像时，护目镜镜片上的划痕和污点就显现出来了，同时还显示出了头发右侧的一跟长的弯曲粘性纤维线（如图4b所示）。用远心镜头及平行背光对同一护目镜成像，该纤维线将显示得更加清晰。

图4：a）采用传统镜头和散射背光对护目镜成像，可以清楚地显示出护目镜镜片上的发丝。b）使用远心镜头及散射背光成像，可以看到护目镜镜片上的划痕和污迹，以及发丝右侧一条长的弯曲粘性纤维线。c）用远心透镜和平行背光成像，该纤维线将显示得更加清晰。

众多选择

尽管背光是最为常用的物体照明方式，但它并不是系统集成商的唯一选择。通常，条形码、瑕疵、打印质量和色彩测量等2D特性，均能在物体表面被观测到。需要再次指出的是，不论是同轴照明系统还是离轴照明系统，都可以采用多种照明光源，如各种不同配置和波长的点光源、环形光源、穹顶光源及线性光源。

每种光源都有其特定的检测照明适用范围。在合适的波长选择正确的照明方案，将极大地提高被测对象的对比度，确保更高效地实现更加精密的测量。