LED光源对机器视觉的影响 - 机器视觉光源选取经验以及镜头对比分析

LED光源的颜分主要分为四种：红色、蓝色、绿色、白色。其他颜色：橙色、红外、紫外用户可以根据使用环境及使用范围的不同，选择合适的光源种类、颜色以及照明方式，使得检测系统达到最佳的性能，获得最优的检测结果。一般有红、绿、蓝、白、红外。其中红色用得最多，因为红色LED成本低,并且黑白CCD 芯片对660nm光线最敏感。兰色适合检测物体表面质量，因为波长短。当然，紫外的散射性更好，因为波长更短。而白色是中性颜色，适合拍彩色图片，或着被测物体的颜色在变化的。绿色的亮度很高，且波长和兰色接近，所以有时可用绿色代替兰色。红外用于半透明等的物体检测，波长越长，穿透力越强；波长越短，扩散性越好。蓝色光源下，白色、紫色、蓝色等表现较亮，有效反射蓝光。从中也可以发现，白色，无论在什么光照下，都成成明显的白色，是因为其本身不吸收光谱，任何光谱照射到其表面上都会被反射；相反，黑色材料则无论什么光照射上去都不反光成黑色。

另外，光的衍射中，衍射条纹的宽度与波长是成正比的，如单缝衍射中央明纹的半角宽度为sinθ=λ / a ，λ为波长，a为单缝宽度。而我们拍摄物体时，其表面通常都不是十分光滑，总是会产生衍射，所以，使用红光时，衍射会比使用蓝光时的衍射要强。因此通常用红光能得到更多的表面细节，而使用蓝光，会得到更大的对比度。

如果进行彩色成像，则通常考虑使用白色光源。白色LED光源的制造有几种方法，一种是使用白色LED制造，发光管内部有蓝色发光芯片与受到激发后发出黄色的荧光粉，发出的光按一定比例叠加到一起，看起来形成了白色，这是最为觉常见的形式。这种光源只能通过调节供电电压或电流来改变发光强度、颜色是恒定的。另一种方法是使用红绿蓝三种不同颜色的LED，按某种顺序或方式在光源上进行排列，并分别控制每种颜色的度，使用相对方便。此种方法通常使用四个单色RGGB颗粒进行排列，所以其中的绿色分量通常会比较足。我们通常所见的彩色显示器、彩色电视机、手机屏等显示设备，也是基于RGGB此种方式进行排列的。之所以多加一个绿色的G通量，是因为人眼对绿色光源（波长555nm）最敏感。

机器视觉应用中注意目标颜色与光源颜色的搭配。我们看到某个物体成某种颜色，是因为其反射了对应的光谱。即如果目标是红色的，如果是白色的光照射或者是红色的光照射，都有红色的光返回，那么在黑白相机中将会是白色的，如果是蓝色的光来拍摄，则没有红色的光可以反射，那么其将会是黑色的。基于这样的理论，我们拍摄物体时，如果要将某种颜色打成白色，那么就得使用与此颜色相同或相似的光源（光的波长一样或接近），而如果要打成黑色，则需要选择与目标颜色波长差较大的光源。

而在镜头的分辨率（能分别最小两点之间的距离）公式δ=0.61λ/NA，λ为波长，NA为数值孔径。从中可以知道，当NA固定时，使用不同波长颜色的光时，镜头的分辨率是不一样的。因此在使用光源时，同一支镜头在蓝色光照下的分辨率通常会高于红色光照条件。

使用机器视觉LED光源，一般都提供几种供电方式可供选择，常见的有5V、12V、24V直流电源，功率根据所用LED的数量多少而定，电压不同会引起什么区别呢？这和LED的特性有关。一般LED的工作电流在10mA~25mA，特别亮的LED可达50mA甚至更高，而LED的电压降一般为1.8V到3.3V，因此通常每个LED上都串联一个电阻（分压电阻），这样才能保证LED发光均匀，而且在电压波动时不易损毁。

那么，由于LED上的电压降和通过的电流都是恒定的，供电电源的电压不同时，多余的电压是串联的电阻所承担的，例如给一颗1.8V、15mA的LED用24V供电时，需要串联1.48KΩ[(24-1.8)/0.015=1480]，此时电阻的功耗是0.015*0.015*1480=0.333W，如果使用多个LED颗粒组合成光源，光源会发出很高的热量 ，这时必须采用风扇等强制散热手段，否则光源的寿命会很短。而同样的LED使用5V供电时，串联电阻R=213Ω，电阻的功耗为0.048W，和24V供电时差了近7倍。这时仅仅靠对流产生的散热效应就足够了，不必用强制散热的方法。

既然用低电压有好处，为什么还使用12V、24V呢？原因很简单，由于机器视觉用于工业生产线上，一般24V是标准配置；另外电压高时，搞干扰能力强，而低压则对电源和工作环境提出了更高的要求。是使用恒流源还是恒压源，环境温度有何影响等，均需要考虑。

常亮还是闪亮图片亮暗的控制，除了快门、光圈、增益外，还可以控制光源的亮暗以及亮的时间来控制，我们先来看一下常亮光源和闪光的优缺点。

如果保持稳定的供电，那么光源的亮度基本不变，如果供电使用脉冲，脉冲的时间宽度和LED本身的响应时间决定了发光时间，若是这个时间小于相机快门开启的时间，那么相机的曝光程度是由光源发出的光通量决定的，如果大于快门时间，则由快门决定。

一般情况下，如果需要频闪光源（时间小于快门速度），传统上使用普通的照相机闪光灯，使用LED强度不够，所以以往针对于LED光源来讲，闪光是指光源开启时间大于快门时间的情况。

频闪控制器，通常采用的是超电流的方法，即控制通过LED的电流超出标定的值多少倍，而使亮度增加，但是这种高负荷的工作状态由于功率过大，发热严重，对光源的寿命影响很大，所以通常通电时间都很短，减少光源的工作时间，以此来延长光源的使用时间。

使用频闪控制器，可以获得高亮的光源，可以减少环境的影响，可以减少快门时间从而减少动态拍摄时的拖尾现象，而且如果只需要平常的亮度时，可以使用低亮度的LED发光管，可以降低成本。

但是使用频闪时，电源的成本会提高，而且同步问题也必须考虑，频闪控制器可以从外部输出触发信号来触发光源，也可以从外部输出触发信号来触发频闪控制器，本身输出触发信号同时触发光源与相机，这样能达到光源与相机触发的同步。

机器视觉光源的选择是为了将被测物体与背景尽量明显分别，获得高品质、高对比度的图像。而且视觉光源的正确选择，直接影响系统的成败，处理精度和速度。荣旭机器视觉光源，具有亮度可调、低温、均衡、无闪烁、无阴影，亮度、色温一致，使用寿命长等优点。本公司致力于不断开发新的产品和完善其功能，提供多种机器视觉光源产品，免费提供测试，并协助提供整体解决方案它已广泛应用于各个行业。

光源的种类
视觉系统使用的光源主要有三种，高频荧光灯、光纤卤素灯、LED（发光二极管）照明。理想的视觉光源应该是明亮，均匀，稳定的。

高频荧光灯：发光原理和日光灯类似，只是灯管是工业级产品，并且采用高频电源，也就是光源闪烁的频率远高于相机采集图象的频率，消除图像的闪烁。适合大面积照明，亮度高，且成本较低。但需要隔一定时间换灯管一定要进口的才过关，国内的高频做的不行，老有闪烁，国外最快可做到60KHz。

光纤卤素灯：卤素灯也叫光纤光源，因为光线是通过光纤传输的，适合小范围的高亮度照明。它真正发光的是卤素灯炮，功率很大，可达100多瓦。高亮度卤素灯炮，通过光学反射和一个专门的透镜系统，进一步聚焦提高光源亮度。卤素灯还有一个名字叫冷光源，因为通过光纤传输之后，出光的这一头是不热的。适合对环境温度比较敏感的场合，比如二次元量测仪的照明。但它的缺点就是卤素灯炮寿命只有2000小时左右。

LED灯：使用寿命约10000－30000小时，可以使用多个LED达到高亮度，同时可组合不同的形状，响应速度快，波长可以根据用途选择。

机器视觉LED光源的性能优势
可制成各种形状、尺寸及各种照射角度；可根据需要制成各种颜色，并可以随时调节亮度；通过散热装置，散热效果更好，光亮度更稳定；使用寿命长（约3万小时，间断使用寿命更长）；反应快捷，可在10微秒或更短的时间内达到最大亮度；电源带有外触发，可以通过计算机控制，起动速度快，可以用作频闪灯；运行成本低、寿命长的LED，会在综合成本和性能方面体现出更大的优势；可根据客户的需要，进行特殊设计。

工业相机由两大基本部件组成：图像感光芯片和数字化的数据接口。 图像感光芯片由数十万至数百万个像素组成。 像素把光线的强度转换为电压输出。 这些像素的电压被以灰度值的形式输出，所有像素放在一起就形成了图像，发送给计算机。 数据接口主要有USB 2.0、1394和千兆以太网三种。

CCD、CMOS是现在普遍采用的两种图像工艺技术，它们之间的主要差异在于传送方式的不同。虽然CCD在影像品质、分辨率大小、灵敏度等方面优于CMOS，而CMOS具有低成本、低功耗以及高整合度的特点。随着CCD与CMOS技术的不断进步，两者之间的差异将逐步减小。

1、分辨率差异：由于CMOS的每个像素都比CCD复杂，且其像素尺寸很难达到CCD的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS时，CCD的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。同尺寸大小，CCD的分辨率要高于CMOS，也就是说成像质量要优于CMOS。

2、噪声差异：由于CMOS的每个感光二极管都需要搭配一个放大器，若以百万像素计算的话，那就需要上百万个的放大器，然而放大器属于模拟电路，很难让所得的每个结果都保持一致。而CCD只需要一个放大器放在芯片边缘，与CMOS相比，它的噪声相对减少很多，大大提高了图像品质。

3、灵敏度差异：因为CMOS信号是以点为单位的电荷信号，而CCD是以行为单位的电流信号，读取信号时 CMOS是点直接读取信号，CCD则是行间接读取信号，因此在像素尺寸相同的情况下，CMOS的灵敏度要低于CCD。

4、耗电量差异：CMOS采用主动式图像采集方式，感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的电晶体放大输出；而CCD为被动式采集方式，必须外加12~18V的电压以使每个像素中的电荷移送到传输通道。因此CCD就必须设计更精密的电源线路和耐压强度，这样使得CCD的耗电量远远高出CMOS，根据计算CMOS的耗电量仅是CCD的1/8~1/10。

5、成本差异：由于CMOS与现有的大规模集成电路生产工艺相同，可以一次全部整合周边设施到传感器芯片中，大大节省了外围芯片的成本；而CCD采用电荷传递的方式输出数据，只要其中有一个像素传送出现故障，就会导致一整排的数据无法正常传送，因此控制CCD的成品率比CMOS困难许多，因此，CCD的制造成本就相对高于CMOS传感器。