LED照明自動(dòng)化制造系統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用

在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，典型的低功率要求和長(zhǎng)壽命的LED照明使固態(tài)照明（SSL）成為照明自動(dòng)化制造系統(tǒng)的首選。

圖1：機(jī)器視覺(jué)越來(lái)越多地利用LED光源的照明，經(jīng)常取代自動(dòng)化生產(chǎn)線中的人工檢測(cè)（圖片提供）。

我們提供各種基于LED技術(shù)的LED環(huán)形燈，頂燈，背光和聚光燈。由于該技術(shù)的可靠性與逐步淘汰傳統(tǒng)白熾燈或熒光燈光源的結(jié)合，LED系統(tǒng)的市場(chǎng)和部署不斷擴(kuò)大。照明供應(yīng)商正在以這些發(fā)展為基礎(chǔ)，提供不同配置的LED產(chǎn)品，以滿足專業(yè)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的需求。

歷史上，最常用的是熒光和石英鹵素光源。近年來(lái)，LED技術(shù)在穩(wěn)定性，強(qiáng)度和成本效益方面有所改進(jìn)。雖然對(duì)于大面積照明部署來(lái)說(shuō)仍然不具有成本效益，特別是與熒光光源相比，如果應(yīng)用靈活性，輸出穩(wěn)定性和壽命是重要參數(shù)，LED照明可能更合適 。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

LED是高可靠性，持久耐用的光源，維護(hù)要求低。此外，作為直流電壓供電的組件，它們不會(huì)出現(xiàn)100 Hz閃爍 - 使用CCD相機(jī)時(shí)不需要的節(jié)拍或重疊。 LED可以連續(xù)調(diào)暗至零光線。它們的瞬時(shí)啟動(dòng)特性有助于頻閃操作以及外部觸發(fā)脈沖操作。

LED對(duì)運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)的相對(duì)不敏感以及它們的低重量使得可以在移動(dòng)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中使用LED（例如在機(jī)器人系統(tǒng)中）。由于尺寸小，LED可用于生產(chǎn)特殊的照明組件，為機(jī)器視覺(jué)中的樣品提供最佳對(duì)比度。

由于采用緊湊的模塊化設(shè)計(jì)，因此可以輕松開(kāi)發(fā)LED組件，例如環(huán)形燈，可以分段控制。以這種方式，與全圓照明相比，實(shí)現(xiàn)了（圖像的）顯著的對(duì)比度增強(qiáng)。當(dāng)通過(guò)公共控制單元轉(zhuǎn)向多個(gè)照明組件時(shí)，很容易產(chǎn)生混合光并在不同類型的照明之間快速切換?，F(xiàn)代“智能”控制單元可以通過(guò)PC完全控制對(duì)象的LED照明，這有助于精確指定照明設(shè)置 。

機(jī)器視覺(jué)需求

LED照明在許多工業(yè)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中用于幫助確定/確認(rèn)制造中零件的形狀 - 通過(guò)定義邊緣幾何形狀，或使鉆孔的尺寸和位置成像和驗(yàn)證。制造商通常希望更改他們?cè)诮o定生產(chǎn)線上檢查的產(chǎn)品，因此LED照明類型，功率，波長(zhǎng)以及相關(guān)光學(xué)和相機(jī)需要足夠靈活或可互換以進(jìn)行調(diào)整。

選擇任何類型照明時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是光源的配置及其光譜特性。除了考慮不同集群設(shè)計(jì)的使用 - 無(wú)論是背光，環(huán)形燈和其他照明設(shè)備的設(shè)計(jì) - 還必須仔細(xì)選擇合適的LED的類型。輸出波長(zhǎng)，功率和幾何等變量必須適合應(yīng)用。選擇取決于被檢部件的顏色和/或反射率。

圖3：Cree的XLamp CXA2011 LED陣列適用于機(jī)器視覺(jué)（由Cree提供）。

Advanced Illumination（Rochester，VT，US）是LED照明產(chǎn)品的機(jī)器視覺(jué)制造商。 John Merva，銷售副總裁兼市場(chǎng)營(yíng)銷部門(mén)表示，“我們生產(chǎn)不同尺寸和形狀，波長(zhǎng)和功率的照明裝置，適用于幾乎任何自動(dòng)化生產(chǎn)操作的應(yīng)用。

傳統(tǒng)照明光源，例如白熾燈或熒光燈，存在壽命相對(duì)較短和輸出不一致的問(wèn)題 - 特別是在壽命結(jié)束時(shí) - 波長(zhǎng)和亮度趨于變化，這就是為什么LED在今天更加可靠和首選的原因。我們傾向于支持的LED制造商是主要的三個(gè)：Nichia ，Cree 和Phillips-Lumileds，其中包括?！?/p>

圖4：光源相對(duì)強(qiáng)度與光譜含量的關(guān)系。底部的條形表示近似人類可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍（來(lái)源：Advanced Illumination ）。

看來(lái)，不斷增長(zhǎng)的LED光源選擇將使尋找理想的光源變得更容易，但實(shí)際上越來(lái)越多樣化意味著系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員需要做更多的R＆amp; D.考慮到新型SSL源，例如OLED，Merva表示，他認(rèn)為這些替代來(lái)源，但補(bǔ)充說(shuō)，“這個(gè)行業(yè)發(fā)生的變化往往發(fā)生得相當(dāng)緩慢?！痹u(píng)論LED機(jī)器使用趨勢(shì)視覺(jué)系統(tǒng)，Merva說(shuō)，“我們通常使用的LED類型分為不同顏色的可見(jiàn)光和更高功率的白光LED光源。在早期，機(jī)器視覺(jué)使用紅色LED，因?yàn)樗鼈兙哂邢鄬?duì)較高的功率，低成本和廣泛的可用性，但最近紅色已被白色取代，與全彩色相機(jī)相結(jié)合?！?/p>

機(jī)器視覺(jué)及其對(duì)固體的依賴 - 狀態(tài)照明將繼續(xù)增長(zhǎng)。我們看到相機(jī)部署點(diǎn)的數(shù)量在整個(gè)行業(yè)和其他地方不斷增長(zhǎng)，特別是考慮到現(xiàn)在可以以低于2，000美元的價(jià)格購(gòu)買(mǎi)“智能”相機(jī)。從歷史上看，視覺(jué)問(wèn)題必須具有重要意義，才能證明部署攝像機(jī)的成本是合理的，但現(xiàn)在它可能相對(duì)較小，節(jié)省的成本仍然可以證明基于LED的視覺(jué)系統(tǒng)的成本。此外，還有許多更復(fù)雜的制造技術(shù)在進(jìn)行，因此有增長(zhǎng)的空間，Merva認(rèn)為，“可能比今天的滲透率高十倍，因?yàn)檫@些技術(shù)以合適的價(jià)格解決了客戶的問(wèn)題?！?》背面和邊緣照明

為了實(shí)現(xiàn)理想的照明，許多系統(tǒng)制造商在背光源上使用一系列表面安裝的LED，并使用漫射器定位以產(chǎn)生均勻的照明。這導(dǎo)致具有相對(duì)厚的顯示器的高亮度背光。為了減小這種厚度 - 在制造環(huán)境中空間總是非常重要 - 一些制造商還提供側(cè)光式背光，其中LED圍繞顯示器的外部放置，并且光通過(guò)漫射板傳輸?shù)斤@示器的面上。

Moritex USA總部位于加利福尼亞州圣何塞，提供兩種類型的背光。其MDBL系列提供比邊緣型MDBC系列更高的亮度，而MDBC系列的更薄設(shè)計(jì)在空間受限的應(yīng)用中更有用。 Phlox，法國(guó)普羅旺斯地區(qū)艾克斯和美國(guó)俄亥俄州Strongsville的Lumitex在其機(jī)器視覺(jué)燈系列中提供不同的技術(shù)變體。 Phlox使用PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）管，在其背光范圍內(nèi)由線性LED光源點(diǎn)亮; Lumitex使用安裝在后反射器上的光纖來(lái)制造薄至0.33 mm的照明面板。

Phlox導(dǎo)演（和專利持有人）Christophe Blanc說(shuō)：“在Phlox，我們只制作機(jī)器視覺(jué)照明系統(tǒng)的一小部分;我們制造的背光源我們將LED與光管技術(shù)結(jié)合使用。我們使用PMMA，我們?cè)诒┧岚宓捻敳恐圃彀疾?。凹槽提取光線，因此我們有效地從板的側(cè)面注入光?！?/p>

對(duì)于其可見(jiàn)光譜應(yīng)用，Phlox僅部署Nichia LED。 Nichia是白色LED的原始制造商（由Shuji Nakamura發(fā)明，他現(xiàn)在為Cree工作）。除紅外應(yīng)用外，該公司僅使用Nichia白/藍(lán)色氮化鎵LED。對(duì)于其紅外機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用，Phlox以前使用的是Osram-OS LED，但最近該公司一直在使用***供應(yīng)商Lite-On《的紅外LED。/SUP》。

除了開(kāi)發(fā)平頂燈等新型配置外，LED照明制造商通常會(huì)針對(duì)不同的應(yīng)用提供一系列不同的波長(zhǎng)。除了使用白色，紅色，綠色和藍(lán)色LED的更傳統(tǒng)的產(chǎn)品外，UV和IR燈在執(zhí)行更復(fù)雜的視覺(jué)檢測(cè)應(yīng)用中變得越來(lái)越流行。這些系統(tǒng)包括要檢查的材料可能會(huì)出現(xiàn)熒光或者操作人員必須屏蔽明亮的LED照明的系統(tǒng)。在其他情況下，將具有多個(gè)波長(zhǎng)的LED組合的照明產(chǎn)品用于減少檢查復(fù)雜部件的多個(gè)面所需的檢查站的數(shù)量。

市場(chǎng)情況

Banner Engineering（美國(guó)明尼蘇達(dá)州明尼阿波利斯市）為自動(dòng)化生產(chǎn)提供的基于LED的照明系統(tǒng)，包括環(huán)形燈，背光燈，聚光燈和線性陣列燈。這些是針對(duì)視覺(jué)的燈光設(shè)計(jì)。

圖5：Banner Engineering的高強(qiáng)度區(qū)域燈具有密封的IP69K版本，因此適用于食品和飲料制造中的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用。

工程經(jīng)理Chuck Dolezelack說(shuō)：“因?yàn)槲覀兲峁┟芊獾腎P69K版本的許多燈具，我們的系統(tǒng)在洗滌環(huán)境中存在，例如食品和飲料行業(yè)中的那些，以及制藥和醫(yī)療和材料處理行業(yè)。具體應(yīng)用范圍包括照亮小部件以進(jìn)行分類或匹配功能，或投射陰影以防止錯(cuò)誤?！?/p>

Dolezelack認(rèn)為，仍有待解決的主要問(wèn)題是能源效率以及這些LED照明可能的演變路徑隨著技術(shù)的進(jìn)步，它們將變得更加堅(jiān)固并且消耗更少的功率。

“今天的市場(chǎng)條件與制造業(yè)一樣，LED照明系統(tǒng)將隨之而來(lái)，”Dolezelack說(shuō)。 “目前，照明和指示是［Banner］增長(zhǎng)最快的產(chǎn)品部門(mén)，因?yàn)樗膶?shí)用性和簡(jiǎn)單性，以及目前制造業(yè)的強(qiáng)大。”

應(yīng)用

Polytec的機(jī)器視覺(jué)部門(mén)，Waldbronn ，德國(guó)，為機(jī)器視覺(jué)提供廣泛的LED照明解決方案。該產(chǎn)品系列由瑞典V?llingby的姐妹公司Latab擴(kuò)展，共提供超過(guò)3000種產(chǎn)品。 Polytec還提供許多不同的控制器，細(xì)分為連續(xù)模式和頻閃模式。

Polytec機(jī)器視覺(jué)負(fù)責(zé)人Hendrik Schumann說(shuō)：“在德國(guó)，汽車(chē)行業(yè)肯定是機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用最重要的用戶。所有汽車(chē)制造商必須確保每個(gè)部件的100％質(zhì)量控制。但越來(lái)越多的食品或電子行業(yè)以及各地的一般工業(yè)中，基于LED的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)被用于確保產(chǎn)品質(zhì)量?！?/p>

”LED的功率和光學(xué)本身并不是成功照明的關(guān)鍵組成部分。關(guān)鍵是LED，系統(tǒng)機(jī)械和電流供應(yīng)質(zhì)量之間的完美合作; LED由電流而不是電壓驅(qū)動(dòng)?！?/p>

圖6：Osram-OS的Ostar Observation紅外LED，型號(hào)SFH4750（來(lái)源：Osram-OS）。 》對(duì)于白色照明，Polytec從Bright View 和Osram-OSLED部署LED以獲得紅色照明。 Latab的機(jī)器視覺(jué)照明解決方案通常在以下波長(zhǎng)下工作：紅色617 nm，IR 880 nm，藍(lán)色465 nm，綠色520 nm和UV 395 nm和365 nm。連續(xù)模式下的典型工作電流范圍為30 mA至3000 mA，選通模式下的工作電流范圍為7倍。

考慮到當(dāng)前這個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的市場(chǎng)和可能的演進(jìn)路徑，Schumann評(píng)論道，“我預(yù)計(jì)未來(lái)LED的亮度將大幅增加，因此新市場(chǎng)將會(huì)出現(xiàn)。也許也可以使用比目前更少的LED，并且照明區(qū)域?qū)⒏械?。從商業(yè)角度來(lái)看，機(jī)器視覺(jué)相關(guān)的LED銷售與機(jī)械工程行業(yè)的狀態(tài)直接相關(guān)，因此也與世界經(jīng)濟(jì)有關(guān)?！?/p>

結(jié)論

任何自動(dòng)化制造過(guò)程都會(huì)經(jīng)常在外觀上發(fā)生變化。視覺(jué)系統(tǒng)，無(wú)論是制造商改變產(chǎn)品類型或價(jià)格的意圖，還是由于產(chǎn)品質(zhì)量的變化。

因此，如果您想保證100％的過(guò)程并保持產(chǎn)品質(zhì)量，那么可靠的觀察方法至關(guān)重要。要求人類檢查員這樣做太多了 - 特別是當(dāng)運(yùn)輸率很高時(shí)，產(chǎn)品很小或可變性超出可見(jiàn)范圍。簡(jiǎn)而言之，人類沒(méi)有耐心和一致性來(lái)提供這種可靠性。

最終，先進(jìn)的非接觸式自動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng) - 越來(lái)越多地基于LED照明 - 不再是生產(chǎn)線的可選附件;它們正在成為工廠必備結(jié)構(gòu)的內(nèi)在組成部分。