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。