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藍菲光學超均勻面光源助力機器視覺相機校準

2021-10-28 13:49 作者:藍菲光學 0人讀過 | 我要投稿

一、背景介紹

近年來，隨著工業(yè)4.0及人工智能的發(fā)展，越來越多的自動化設備被廣泛應用于生產過程中。工業(yè)4.0離不開智能制造，我國在2015年提出的“中國制造2025”宏偉計劃中，第一項戰(zhàn)略對策就是“推行數字化網絡化智能化制造”，而智能制造中，最核心的一環(huán)就是機器視覺。機器視覺是指通過機器來模擬人眼的功能，對客觀事物進行信息提取，處理和分析，最終實現檢測和判斷，最終交給計算機進行控制。中國是機器視覺產業(yè)發(fā)展最為迅速的國家，目前已經在工業(yè)，航天，醫(yī)療，交通，科研等諸多行業(yè)進行了廣泛的應用。

二、目前機器視覺存在問題

典型的工業(yè)機器視覺系統(tǒng)包括：光源，鏡頭，相機，圖像采集卡，軟件，監(jiān)視器，輸入/輸出等。對于光學檢測來說，機器視覺系統(tǒng)的性能主要取決于系統(tǒng)中光學相關部件，比如光源，鏡頭，相機等的性能。此外，光學檢測要求的精度一般都較高，但是大多數相機在出廠時，并沒有專門針對光學檢測應用進行專門校準，往往會導致機器視覺系統(tǒng)的精度達不到要求，結果會出現誤差。

比方說，如果將剛出廠的工業(yè)相機對著一個均勻照明的發(fā)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余弦響應造成的。此外，由于相機傳感器（CCD/CMOS）的非均勻性，也會導致對均勻光場成像的時候，圖像的亮暗，顏色不均勻，如下圖所示。以上這些因素，都會導致在一些精密的光學檢測（比如平板顯示檢測）時，檢測結果和真實情況出現較大偏差。

除此之外，相機對于不同亮度的線性響應也不同。由于相機輸出的信號是灰度值，并不具有真實的物理意義。因此，在做光學檢測（比如說亮度檢測時），需要對相機進行線性度和亮度標定，建立起相機灰度信號和真實亮度的關系曲線。

三、工業(yè)相機校準解決方案

為了解決以上機器視覺系統(tǒng)中存在的問題，提高機器視覺系統(tǒng)，尤其是AOI等光學檢測系統(tǒng)的精度，歐洲機器視覺協(xié)會EMVA提出了《EMVA1288：成像傳感器和相機性能表征標準》，其中介紹了如何對成像傳感器及相機的空間不均勻度，靈敏度，線性度和噪聲等一些列指標進行表征和校準的辦法。其中明確寫到：“最好的均勻光源是積分球均勻光源”，且推薦“光源的均勻性要大于97%”。

用戶在使用時，只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，就可以對相機的均勻性進行校正，這一過程稱為平場校正。經過均勻光源校準后，相機的均勻性可以顯著提高。如下圖所示，為一個工業(yè)相機經過積分球均勻光源校正前后相機的均勻性測試結果。從圖中可以很明顯看出，校正前相機的均勻性較差，中心場的響應優(yōu)于周邊的響應。校正后相機平面內的響應一致。

圖4 工業(yè)相機經過藍菲光學(Labsphere)LED 均勻光源系統(tǒng)平場校正前后對比

四、完美的積分球面光源

工業(yè)相機的精度決定了機器視覺系統(tǒng)的檢測精度，校準光源的均勻性決定了工業(yè)相機的精度。越是均勻的積分球光源，經過其校準后得到的相機均勻性越高。根據積分球的原理，入射到積分球的光在積分球內部進行多次反射，最終在輸出端口得到亮度，色度都完全均勻的面光源。積分球的出光口均勻性主要取決于以下幾個方面：

積分球內壁材料的反射特性。材料的反射特性可以分為朗伯反射，鏡面反射和混合反射。由積分球原理可知，積分球內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），材料的光譜反射一致性決定了開口處的色度均勻性，材料的光譜反射率越一致，也就是對各個波長的反射率越一致，開口處的色度越均勻。
積分球的設計。如何設計積分球的尺寸，入射光的位置，擋板的位置和方向，都會影響積分球開口的均勻性。

藍菲光學（Labsphere）積分球均勻光源Spectra-CT提供了一種超均勻，高動態(tài)范圍，亮度/色溫均可精細調節(jié)的面光源。該積分球光源采用藍菲光學(Labsphere)獨有的高反射率完美朗伯反射材料Spectraflect?，基于藍菲光學40余年的光學系統(tǒng)開發(fā)經驗，精細的積分球結構設計，是機器視覺相機校準的完美解決方案。其主要具有以下特點：