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了解独特的机器视觉照明方法

时间:2019-10-31

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图1:在线照明非常适合检查半导体晶片和其他镜面或半镜面物体。

正确的照明对于机器视觉应用的成功至关重要。不同的用例需要极大不同的照明类型以最大化性能。本文介绍了几种独特的机器视觉照明方法的优点,缺点和用例,例如在线,远心和散射轴向照明。

串联或同轴照明(图1)通常使用分束器将光源(例如光纤光导或LED源)直接合并到成像镜头系统的光学系统中。这是一种明场照明,这意味着镜面反射将返回到透镜中,因为反射的入射角小于透镜的视场。与其他明场照明技术一样,在线照明会导致图像在黑暗背景下具有明亮的物体。

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  图2:远心成像镜头具有集成的在线照明功能。

与使用其他类型的照明(例如漫射轴向照明)的系统相比,在线照明通常会导致视觉系统更紧凑。理想情况下,用于行内照明的光源(图2)应足够大以被认为是漫射的,因为这可以防止光源本身从物体的镜面反射回成像系统。

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  图3:使用暗场照明(左)和在线照明(右)捕获的CCD图像的比较表明,在线照明会导致;A:导线与CCD其余部分之间的对比度更明显,B:面板上的芯片看起来暗而不是光,C:均匀对比度下的照明均匀,而暗场照明导致整个图像上的对比度不一致。在线照明的光路使其非常适合检查镜面或半镜面物体,例如半导体或CCD传感器。图3比较了使用在线照明捕获的CCD传感器的图像和使用暗场照明捕获的同一CCD传感器的图像。尽管在线照明提供均匀的照明,并且在镜面物体的精细特征之间具有一致的对比度,但其主要缺点是杂散光和低对比度。一部分光线会从分束器的表面反射回来,并返回到相机而没有到达物体,从而导致图像整体被“冲洗掉”。这也可能在图像中心引起热点,因为大多数杂散光将降落在相机传感器的中间。

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  图4:传统的背光照明器产生漫反射(a),远心照明器产生准直光(b)。

远心照明是背光的一种特殊情况,其中光源是准直的,而不是漫射的。来自照明器任何场点的光线将与所有其他照明光线平行(图4)。远心照明器不是将镜面物体反射回成像镜头中,而是由远心镜头组件和对物体进行背光照明的LED源组成的独立模块。

离开照明器的准直光线在不撞击面向成像系统的表面的情况下使物体形成轮廓,而常规的背光照明器的光线会从锐角入射,并撞击到物体的前面并散射回成像镜头。这会导致边缘特征变亮,并且在常规背光中失去对比度(图5)。

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图5:在比较常规背光(a)和远心照明(b)时,很明显远心照明会产生更大的边缘对比度。远心照明器的主要优点是准直度高,可提高边缘对比度,使其成为精确测量和计量应用的理想选择。这些高对比度轮廓允许对小缺陷进行出色的识别和测量,提高测量的可重复性和准确性,并能够缩短照明器与物体之间的距离。常规背光源需要在照明器和物体之间有更大的距离,以减少陡峭角度的光线散射。

远心照明器还具有很高的均匀性。但是,远心照明器通常比市场上提供的其他照明选项更大且更昂贵。前透镜元件的尺寸决定了照明点的直径,从而导致更大的系统尺寸和重量。远心照明器对镜头和光源之间的对准也很敏感。

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图6:在这种典型的漫射轴向照明设置中,成像镜头通过分束器观察,该分束器将来自外部漫射源的光引入到朝向对象的光路中。

在漫反射轴向照明中,透镜通过分束器观看,该分束器将来自外部漫射源的光引入光路,朝向物体(图6)。照明和透镜在分束器之后是同轴的,类似于串联照明。然而,在明场和暗场照明方法的组合中,漫射轴向照明以多种不同角度将光投射到对象上。

漫反射轴向照明可产生非常均匀且漫反射的照明,从而减少了由高光和漫反射物体引起的眩光和亮点。但是,与轴向照明相比,漫射轴向照明往往更大并且更难以安装。它还具有有限的工作距离范围,并且吞吐量相对较低。可能需要多个光纤光源以提供适当的照明。像在线照明一样,光源的大面积会导致任何镜面反射将足够大的光源图像反射回相机,从而不会形成单个热点。镜面物体将被均匀照明。

在所有情况下,没有一种照明方法是最佳选择。被成像的物体和检查的目标会影响不同照明技术的有效性,从而使照明的选择高度依赖于应用程序。远心照明有利于对物体轮廓进行高度精确的测量,而对空间受限的镜面物体(如半导体晶圆)的检查将受益于在线或漫射轴向照明。了解可用照明的不同类型将确保您选择适当的照明方法,以最大化系统的性能。


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