針對不同類型的外觀缺陷檢測光源方案

產(chǎn)品的外觀缺陷直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量問題，而在檢測時，由于產(chǎn)品缺陷種類繁多且干擾因素眾多，導(dǎo)致產(chǎn)品的外觀缺陷檢測一直是機器視覺檢測中的難點。

外觀缺陷檢測的難點

外觀缺陷檢測的難點主要來自于產(chǎn)品本身以及檢測儀器的選擇，主要有以下幾大類：

1）產(chǎn)品的多樣性，經(jīng)常使外觀檢測陷入困境；

2）產(chǎn)品的外觀缺陷除了常見的劃痕、雜質(zhì)、裂紋等，還有易與背景融于一體的透明膠水輪廓檢測；

3）反光物體通常會使圖像呈現(xiàn)大面積白斑，無法提取缺陷特征；

4）圓弧面缺陷，受弧面的影響導(dǎo)致視野不能做大，如用明視野法，則成像光斑非常??；用暗視野成像則對于缺陷方向有局限性；

5）部分產(chǎn)品表面由于材質(zhì)原因，灰塵、雜質(zhì)與劃痕難以區(qū)分檢測；

6）空心圓柱體內(nèi)壁曲面的缺陷檢測，經(jīng)常由于景深不足且鏡頭視角受限，無法得到理想的圖像。

除了缺陷檢測本身固有的難點之外，在機器視覺檢測系統(tǒng)中，光源的選擇和使用也是能否精確檢出缺陷的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。光源、相機、鏡頭的選取與搭配，是技術(shù)人員面對的一大考驗。

在選擇光源時，通常需要如下考慮：

1）針對不同的檢測要求，光源可使用常亮模式，也可進(jìn)行多工位頻閃拍照；

2）根據(jù)外觀缺陷的形狀或材質(zhì)特性，可選擇明場或暗場照明，同時光源角度也可按需調(diào)整；

3）根據(jù)視野與精度要求，除了選擇不同的相機與鏡頭組合外，光源的工作距離也尤為重要。

針對不同類型的外觀缺陷檢測光源方案

不同的外觀缺陷有著不同的特征，要想達(dá)到一個好的檢測效果，需要對各種光源的原理及應(yīng)用熟稔于心。選擇合適的光源才能更高效地面對不同缺陷的需求。

以下為針對不同外觀缺陷樣品的常用打光方案：

1）針對反光且外形不規(guī)則的物體，可使用多角度多光譜光源。

多光譜光源從多角度照射，可使物體表面不規(guī)則的區(qū)域展現(xiàn)出不同的成像特性；而反光面與粗糙面對光的散射效果不同，則可在圖片上投射出不同的灰度信息。通過計算顏色分布和圖像陰影變化，可準(zhǔn)確突出物體表面的層次信息，方便后期抓取圖像特征。

2）針對大面積大視野的樣品檢測，條形光源和背光源是首選光源。

大尺寸背光源，通過LED的高密度排列，提供高均勻性與高亮度的照明效果，能突出物體的外形輪廓等特征。而條光的指向性強且光線均勻，通過調(diào)整角度或者多個條光組合可檢測較大面積的外觀缺陷。

3）針對磨砂材質(zhì)的表面缺陷，可使用指向性好的光源。

指向性好的光源可以突出材料表面的顆粒感；相比之下，漫射光源則會使外觀缺陷的成像圖沒有對比度。

4）針對部分需要分多次拍照且有速度要求的樣品，需使用高亮光源。

多工位多次拍攝成像的外觀檢測，需使用頻閃拍照系統(tǒng)，且光源體積要小，重量要輕。

不同類型的光源對外觀缺陷檢測的影響

針對不同類型的外觀缺陷檢測會有不同的光源方案，比如針對反光且外形不規(guī)則的物體，可使用多角度多光譜光源；針對大面積大視野的樣品檢測，條形光源和背光源是首選光源。

選擇合適的光源才能更高效地面對不同缺陷的需求。

1）交叉線形光源

在劃痕類的缺陷檢測中，如果使用傳統(tǒng)的線形光源，只能檢測出“橫向缺陷”，而“縱向缺陷”則難以被發(fā)現(xiàn)。

為了讓“縱向缺陷”也無處遁逃，可采用交叉線形光源。它可利用特殊的光學(xué)設(shè)計，使兩側(cè)的光線呈一定角度匯集到光源中間位置，凸顯縱向缺陷，通過降低背景亮度來提升缺陷的對比度。

手機等移動電子產(chǎn)品的玻璃蓋板的表面缺陷檢測，是當(dāng)下機器視覺的熱點應(yīng)用，也是難點應(yīng)用之一。

針對玻璃蓋板表面的劃痕，分別使用普通線形光源和交叉線形光源對其進(jìn)行檢測（光源架設(shè)方向與運動方向垂直），檢測結(jié)果對比如下圖所示。

玻璃蓋板上的劃痕檢測

玻璃蓋板上的劃痕檢測結(jié)果如圖所示，分別是普通線光檢測“橫向劃痕”、普通線光檢測“縱向劃痕”、交叉線光檢測“縱向劃痕”，可以看出，使用普通線光源檢測“橫向劃痕”時缺陷可見，使用普通線光源檢測“縱向劃痕”時缺陷不可見，使用交叉線光源檢測“縱向劃痕”時缺陷可見。

因此，在實際檢測過程中，將普通線光源和交叉線光源配合使用，可以很好地檢出玻璃蓋板上的橫豎劃痕。這種方法可用于檢測玻璃蓋板、薄膜、金屬面等產(chǎn)品上的劃痕和條紋等缺陷。

2）平面無影光源

平面無影光源能提供高均勻度的漫射照明，可以消除產(chǎn)品表面不平整形成的干擾，成像效果與“圓頂+同軸光源組合”類似，且相比于組合光源而言，更節(jié)省空間。

下圖為兩組光源的成像原理圖，左側(cè)為平面無影光源，右側(cè)為“圓頂+同軸”的組合光源。

在檢測表面不平整的物體時，如塑料等材質(zhì)柔軟的包裝袋表面，推薦使用平面無影光源。

下圖為手機拍攝的食品包裝袋樣品：

以下分別為同軸光源、圓頂光源、平面無影光源對食品包裝袋上的字符的檢測效果對比。

使用同軸光源時，光線明暗不均勻，無法檢測不平整物品；

使用圓頂光源照明存在陰影，也無法檢測不平整物品；

使用平面無影光源，打光均勻，成像清晰且包裝袋上的字體清晰可見，適用于檢測不平整物品表面。

3）平面條紋光源

平面條紋光源使用平面條紋式照明，通過反射的光線相互干涉而形成明暗相間的干涉直條紋，當(dāng)檢測物體表面有凹凸不平時，由于光程變化使得部分直條紋產(chǎn)生形變，以此來檢測元件表面的凹凸點及細(xì)小缺陷問題。

平面條紋光源可很好的彌補同軸光源難以檢測的凹凸點及細(xì)小缺陷不明顯的短板，適用于反光物體、膜材、五金件、玻璃上的凹凸點及細(xì)小缺陷的檢測。

例如，玻璃蓋板劃痕檢測，下圖為平面條紋光源和同軸光源的成像效果對比。

左側(cè)為平面條紋光源檢“劃痕”的效果，可以看到玻璃蓋板表面劃痕清晰可見。右側(cè)為同軸光源檢“劃痕”，可以看到玻璃蓋板表面整體被均勻照射，但劃痕不可見。

從上述案例中可以得知，只有根據(jù)產(chǎn)品的檢測需求以及產(chǎn)品的自身特性來選擇合適的光源，才能得到好的光學(xué)方案。

隨著科技的進(jìn)步，光源的種類不斷增多，在保證成像質(zhì)量的同時也朝著節(jié)省空間與成本的方向發(fā)展，同時很多檢測上的疑難點得到了解決與改善。

在機器視覺檢測系統(tǒng)中，正確選用適合的光源，不僅可以有效提升成像對比度、保證圖像均勻性，同時還可降低算法難度，大幅提升了檢測效率，使得檢測化繁為簡，更具性價比。

審核編輯：郭婷