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機器視覺光源

2020-08-19
來源:百家號

機器視覺應用中注意目標顏色與光源顏色的搭配。我們看到某個物體成某種顏色,是因為其反射了對應的光譜。即如果目標是紅色的,如果是白色的光照射或者是紅色的光照射,都有紅色的光返回,那么在黑白相機中將會是白色的,如果是藍色的光來拍攝,則沒有紅色的光可以反射,那么其將會是黑色的。

基于這樣的理論,我們拍攝物體時,如果要將某種顏色打成白色,那么就得使用與此顏色相同或相似的光源(光的波長一樣或接近),而如果要打成黑色,則需要選擇與目標顏色波長差較大的光源。

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而在鏡頭的分辨率(能分別最小兩點之間的距離)公式δ=0.61λ/NA,λ為波長,NA為數值孔徑。從中可以知道,當NA固定時,使用不同波長顏色的光時,鏡頭的分辨率是不一樣的。因此在使用光源時,同一支鏡頭在藍色光照下的分辨率通常會高于紅色光照條件。

使用機器視覺LED光源,一般都提供幾種供電方式可供選擇,常見的有5V、12V、24V直流電源,功率根據所用LED的數量多少而定,電壓不同會引起什么區別呢?這和LED的特性有關。一般LED的工作電流在10mA~25mA,特別亮的LED可達50mA甚至更高,而LED的電壓降一般為1.8V到3.3V,因此通常每個LED上都串聯一個電阻(分壓電阻),這樣才能保證LED發光均勻,而且在電壓波動時不易損毀。

那么,由于LED上的電壓降和通過的電流都是恒定的,供電電源的電壓不同時,多余的電壓是串聯的電阻所承擔的,例如給一顆1.8V、15mA的LED用24V供電時,需要串聯1.48KΩ[(24-1.8)/0.015=1480],此時電阻的功耗是0.015*0.015*1480=0.333W,如果使用多個LED顆粒組合成光源,光源會發出很高的熱量,這時必須采用風扇等強制散熱手段,否則光源的壽命會很短。而同樣的LED使用5V供電時,串聯電阻R=213Ω,電阻的功耗為0.048W,和24V供電時差了近7倍。這時僅僅靠對流產生的散熱效應就足夠了,不必用強制散熱的方法。

既然用低電壓有好處,為什么還使用12V、24V呢?原因很簡單,由于機器視覺用于工業生產線上,一般24V是標準配置;另外電壓高時,搞干擾能力強,而低壓則對電源和工作環境提出了更高的要求。是使用恒流源還是恒壓源,環境溫度有何影響等,均需要考慮。

常亮還是閃亮圖片亮暗的控制,除了快門、光圈、增益外,還可以控制光源的亮暗以及亮的時間來控制,我們先來看一下常亮光源和閃光的優缺點。

如果保持穩定的供電,那么光源的亮度基本不變,如果供電使用脈沖,脈沖的時間寬度和LED本身的響應時間決定了發光時間,若是這個時間小于相機快門開啟的時間,那么相機的曝光程度是由光源發出的光通量決定的,如果大于快門時間,則由快門決定。

一般情況下,如果需要頻閃光源(時間小于快門速度),傳統上使用普通的照相機閃光燈,使用LED強度不夠,所以以往針對于LED光源來講,閃光是指光源開啟時間大于快門時間的情況。

頻閃控制器,通常采用的是超電流的方法,即控制通過LED的電流超出標定的值多少倍,而使亮度增加,但是這種高負荷的工作狀態由于功率過大,發熱嚴重,對光源的壽命影響很大,所以通常通電時間都很短,減少光源的工作時間,以此來延長光源的使用時間。

使用頻閃控制器,可以獲得高亮的光源,可以減少環境的影響,可以減少快門時間從而減少動態拍攝時的拖尾現象,而且如果只需要平常的亮度時,可以使用低亮度的LED發光管,可以降低成本。

但是使用頻閃時,電源的成本會提高,而且同步問題也必須考慮,頻閃控制器可以從外部輸出觸發信號來觸發光源,也可以從外部輸出觸發信號來觸發頻閃控制器,本身輸出觸發信號同時觸發光源與相機,這樣能達到光源與相機觸發的同步。

機器視覺光源的選擇是為了將被測物體與背景盡量明顯分別,獲得高品質、高對比度的圖像。而且視覺光源的正確選擇,直接影響系統的成敗,處理精度和速度。


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