照明技術(shù)：背光和波長對于機器視覺系統(tǒng)的影響

  在機器視覺中，背光是常見和有用的照明技術(shù)之一。它通常用于零件的存在/不存在，測量和方向/位置，尤其是在與拾放或視覺引導(dǎo)的機器人應(yīng)用程序結(jié)合使用時。但是，將背光照明納入機器視覺系統(tǒng)可能會很困難，這主要是因為部件放置的幾何形狀需要進入相機和背光照明的零件頂部和底部（或正面和背面）。

背光視覺系統(tǒng)的掙扎

  此外，當(dāng)零件在輸送線上移動時，部件放置的幾何形狀會受到限制，尤其是在無法將背光有效地插入產(chǎn)品的“輸送機”上的情況下（圖1a）。這些機器視覺應(yīng)用中的大多數(shù)只需要一個輪廓即可有效地產(chǎn)生即時對比度（通常稱為白色背景黑色部分），在這種情況下，預(yù)計光線不會穿透該部分（請參見圖1b）。

  但是，黑白輪廓主題存在變化-即那些需要光線以不同方式穿透零件的應(yīng)用。例如，這可能包括需要在另一個對象中定位具有不同成分或質(zhì)地的固體對象或在包裝中標(biāo)識液位的應(yīng)用。在此博客文章中，我們將集中討論差分背光的穿透率，并說明不同波長在何處以及為何有用的各種示例。

▲圖1a –背光功能圖

▲圖1b –典型的輪廓BL圖像

使用背光燈檢查物體是否存在

  制藥行業(yè)中常見的背光應(yīng)用是在將繃帶，襯墊或紗布材料包裝成無菌包裝后，檢查其是否存在。由于插入的物體及其包裝都是柔軟的，并且通常是半透明的，因此我們可以使用標(biāo)準(zhǔn)背光燈輕松檢查是否存在。

  圖2示出了其密封的無菌紙包裝中的小的棉眼墊；在此示例中，視覺系統(tǒng)可以快速驗證是否存在，同時可以測量近似的尺寸和形狀參數(shù)以驗證是否包裝了正確的墊。將此圖像與圖2中未插入焊盤的圖像進行比較。后，在圖2中，我們可以看到包裝中有多個焊盤的結(jié)果。注意，在本申請中，背光均勻性不如具有足夠的光強度穿透感興趣的物體及其包裝重要。

▲圖2 –包裝紙中的無菌墊       –不存在無菌墊                –紙中的多個無菌墊

波長如何影響背光應(yīng)用

  在背光應(yīng)用中滲透材料時，具有足夠的強度是僅有的解決方案嗎？如果考慮可見光譜和近可見光譜（圖3），我們會看到白色或人類可見光的波長范圍為400 nm至約700 nm。紫外光的范圍從400 nm到大約200 nm，紅外光的范圍從700 nm到更高。

  考慮到這些信息，記住光波長和穿透能力之間存在直接的相關(guān)性是很有用的。因此，對于相同的材料，例如，在背光應(yīng)用長較長的光（例如紅色或IR）可能比藍(lán)色更深。

▲圖3 –可見光譜和近可見光譜

▲檢查半透明PCB

  在此示例中，我們在半透明，填充的PCB上分別使用了紅色和近紅外表面安裝背光燈（分別為圖4a和4b）來測試每種波長穿透材料的程度。我們看到，與660 nm紅光相比，880 nm紅外光更好地定義了板上的走線。但是，我們?nèi)绾沃兰t外光不僅相對于攝像機而言強度更高，還是照相機對紅外光更為敏感？

▲圖4a –具有紅色（660nm）BL的PCB           圖4b –具有IR（880nm）BL的PCB

  更仔細(xì)地檢查板的圖像，我們注意到板的上部有一個孔。將此圖像與880 nm紅外圖像進行比較，可以看到紅色（較短波長）的光是如此明亮，以至于在孔邊緣都散發(fā)出光?？紤]到這一點，我們可以得出結(jié)論，盡管相機對紅光更敏感，但紅外光顯然可以更好地穿透板子。

檢查白熾燈泡燈絲

  在檢查白熾燈泡燈絲時，可以觀察到類似的滲透趨勢。用470 nm藍(lán)色，660 nm紅色和880 nm IR背光（分別為圖5a，5b，5c）拍攝的一系列圖像說明了這一點。藍(lán)光不會穿透燈泡玻璃和擴散器涂層；紅燈顯示一些細(xì)絲細(xì)節(jié)；終，紅外燈顯然會產(chǎn)生有用的檢查細(xì)節(jié)。

▲圖5a –藍(lán)色（470nm）BL     圖5b –紅色（660nm）BL      圖5c – IR（880nm）BL

驗證瓶中的液位

  另一個常見的背光應(yīng)用是驗證瓶子中的液體填充量。在此示例中，有色玻璃瓶包含透明的古龍水。如果我們用常見的紅色背光，我們會看到光線沒有穿透瓶子（圖6a）?；谳^長波長的光可以更好地穿透的一般假設(shè)，我們切換到880 nm的IR光；請注意，它仍然不能穿透瓶子及其內(nèi)容物（圖6b）。為了完整起見，我們嘗試使用波長短的藍(lán)色光。有趣的是，它可以穿透瓶子并充分地容納內(nèi)容物，以驗證液體填充高度（圖6c）。

▲圖6a –紅色科隆香水瓶    圖6b –帶有紅外的科隆香水瓶     圖6c –藍(lán)色科隆香水瓶

  重要的是要注意，根據(jù)我們檢查的是不透明物體還是半透明物體，零件顏色對對比度的影響不同。對于不透明的物體，我們使用反射光而不是透射光（背光）進行檢查，因此特定于波長的顏色對比度非常重要。在對半透明部件進行背光照明時，顏色通常在通過對象的特定于波長的差分光傳輸中起次要作用，而材料的成分，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和/或紋理在這方面的影響更大。