藍菲光學(xué)超均勻面光源助力機器視覺相機校準
發布者:藍菲光學(xué) 發布時間:2019-11-12 20:40:51 浏覽:77
一、背景介紹
近年來,随着工(gōng)業4.0及人工(gōng)智能(néng)的發展,越來越多(duō)的自動化設備被廣泛應用(yòng)于生産(chǎn)過程中(zhōng)。工(gōng)業4.0離不開智能(néng)制造,我國(guó)在2015年提出的“中(zhōng)國(guó)制造2025”宏偉計劃中(zhōng),第一項戰略對策就是“推行數字化網絡化智能(néng)化制造”,而智能(néng)制造中(zhōng),最核心的一環就是機器視覺。機器視覺是指通過機器來模拟人眼的功能(néng),對客觀事物(wù)進行信息提取,處理(lǐ)和分(fēn)析,最終實現檢測和判斷,最終交給計算機進行控制。中(zhōng)國(guó)是機器視覺産(chǎn)業發展最為(wèi)迅速的國(guó)家,目前已經在工(gōng)業,航天,醫(yī)療,交通,科(kē)研等諸多(duō)行業進行了廣泛的應用(yòng)。
圖1 機器視覺代替人眼
二、目前機器視覺存在問題
典型的工(gōng)業機器視覺系統包括:光源,鏡頭,相機,圖像采集卡,軟件,監視器,輸入/輸出等。對于光學(xué)檢測來說,機器視覺系統的性能(néng)主要取決于系統中(zhōng)光學(xué)相關部件,比如光源,鏡頭,相機等的性能(néng)。此外,光學(xué)檢測要求的精(jīng)度一般都較高,但是大多(duō)數相機在出廠時,并沒有(yǒu)專門針對光學(xué)檢測應用(yòng)進行專門校準,往往會導緻機器視覺系統的精(jīng)度達不到要求,結果會出現誤差。
比方說,如果将剛出廠的工(gōng)業相機對着一個均勻照明的發光面進行拍照,拍攝出的圖像四個角往往會出現暗區(qū),這主要是由于相機鏡頭的餘弦響應造成的。此外,由于相機傳感器(CCD/CMOS)的非均勻性,也會導緻對均勻光場成像的時候,圖像的亮暗,顔色不均勻,如下圖所示。以上這些因素,都會導緻在一些精(jīng)密的光學(xué)檢測(比如平闆顯示檢測)時,檢測結果和真實情況出現較大偏差。
圖2 校準前相機平場響應
除此之外,相機對于不同亮度的線(xiàn)性響應也不同。由于相機輸出的信号是灰度值,并不具(jù)有(yǒu)真實的物(wù)理(lǐ)意義。因此,在做光學(xué)檢測(比如說亮度檢測時),需要對相機進行線(xiàn)性度和亮度标定,建立起相機灰度信号和真實亮度的關系曲線(xiàn)。
三、工(gōng)業相機校準解決方案
為(wèi)了解決以上機器視覺系統中(zhōng)存在的問題,提高機器視覺系統,尤其是AOI等光學(xué)檢測系統的精(jīng)度,歐洲機器視覺協會EMVA提出了《EMVA1288:成像傳感器和相機性能(néng)表征标準》,其中(zhōng)介紹了如何對成像傳感器及相機的空間不均勻度,靈敏度,線(xiàn)性度和噪聲等一些列指标進行表征和校準的辦(bàn)法。其中(zhōng)明确寫到:“最好的均勻光源是積分(fēn)球均勻光源”,且推薦“光源的均勻性要大于97%”。
圖3
藍菲光學(xué)相機平場校正方法
用(yòng)戶在使用(yòng)時,隻需要相機對準均勻光源的開口,拍攝一張圖像,再經過算法進行計算,就可(kě)以對相機的均勻性進行校正,這一過程稱為(wèi)平場校正。經過均勻光源校準後,相機的均勻性可(kě)以顯著提高。如下圖所示,為(wèi)一個工(gōng)業相機經過積分(fēn)球均勻光源校正前後相機的均勻性測試結果。從圖中(zhōng)可(kě)以很(hěn)明顯看出,校正前相機的均勻性較差,中(zhōng)心場的響應優于周邊的響應。校正後相機平面内的響應一緻。
相機校正前
相機校正後
圖4 工(gōng)業相機經過藍菲光學(xué)LED 均勻光源系統平場校正前後對比
四、完美的積分(fēn)球面光源
工(gōng)業相機的精(jīng)度決定了機器視覺系統的檢測精(jīng)度,校準光源的均勻性決定了工(gōng)業相機的精(jīng)度。越是均勻的積分(fēn)球光源,經過其校準後得到的相機均勻性越高。根據積分(fēn)球的原理(lǐ),入射到積分(fēn)球的光在積分(fēn)球内部進行多(duō)次反射,最終在輸出端口得到亮度,色度都完全均勻的面光源。積分(fēn)球的出光口均勻性主要取決于以下幾個方面:
積分(fēn)球内壁材料的反射特性。材料的反射特性可(kě)以分(fēn)為(wèi)朗伯反射,鏡面反射和混合反射。由積分(fēn)球原理(lǐ)可(kě)知,積分(fēn)球内壁材料反射特性越接近朗伯特性,其開口處均勻性越高。此外,當入射光是寬譜光時(比如白光),材料的光譜反射一緻性決定了開口處的色度均勻性,材料的光譜反射率越一緻,也就是對各個波長(cháng)的反射率越一緻,開口處的色度越均勻。
積分(fēn)球的設計。如何設計積分(fēn)球的尺寸,入射光的位置,擋闆的位置和方向,都會影響積分(fēn)球開口的均勻性。
藍菲光學(xué)積分(fēn)球均勻光源LED-USS提供了一種超均勻,高動态範圍,亮度/色溫均可(kě)精(jīng)細調節的面光源。該積分(fēn)球光源采用(yòng)藍菲光學(xué)獨有(yǒu)的高反射率完美朗伯反射材料Spectraflect®,基于藍菲光學(xué)40餘年的光學(xué)系統開發經驗,精(jīng)細的積分(fēn)球結構設計,是機器視覺相機校準的完美解決方案。其主要具(jù)有(yǒu)以下特點:
出光面超級均勻,均勻性大于99.5%
系統輸出穩定性高,穩定性達0.1%
亮度線(xiàn)性可(kě)調節,可(kě)實現從微弱光0.1cd/m2至25000cd/m2的亮度輸出
色溫動态可(kě)調節,可(kě)實現從低色溫2700K到高色溫7500K的輸出
自帶亮度監控,實時觀測亮度輸出情況
軟件實現光源和探測器的全部控制,界面簡單易用(yòng),可(kě)提供控制指令供二次開發。
系統還可(kě)定制各類色溫,亮度,單色光,大視場角等不同參數的光源
圖5 藍菲光學(xué)LED 均勻光源系統(LED-USS)及開口處光斑亮度分(fēn)布
LED-USS是超高均勻性的面光源,其卓越的性能(néng)可(kě)以滿足EMVA1288要求的相機均勻度,線(xiàn)性度,信噪比,動态範圍等諸多(duō)參數測試。是從研發到生産(chǎn),各類工(gōng)業相機的理(lǐ)想校準光源。