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2017/8/18

光學檢測用光源分享

自動光學檢測的光學系統非常重要,因為如果影像不對或品質不好,再怎麼處理也很難檢測出需要的資訊,光學系統中有三大主要關鍵零組件,分別是工業用相機 、鏡頭與光源,三者的重要性可以說是不遑相讓;但是影響影像其中的一個最直接卻最容易忽略跟選擇困難的就是光源,光源不是提供照光就可以,適當的光源才能反映出需要的影像特徵。。

工業用相機 、鏡頭很少看到有台灣廠商(有大陸廠商)。

但是光源就有出現不少台灣廠商,不過幾乎都集中在LED光源類型,
一些傳統的氣體光源都還是以國外廠商(燈源:Ushio、Osram、光源:Moritex 等)為主;
不知道是因為專利、經濟規模還是技術問題,
也有可能是因為台灣電子業發達,加上生產各式各樣的LED與相關電源供應器的零組件,
對台灣廠商來說工業用LED光源關鍵零組件取得容易、自行開發容易、可配合設備需求進行少量多樣化開發、售價高,
對台灣的小公司、小廠商來說是一個不錯的利基產品。

其實個人也可以自行DIY,
以前曾經上網買個 1W 的LED晶片加上電阻降壓、電源供應器、透鏡組了一個點光源來用,
效果其實也不錯,總共花不到 1000塊,
比市面上一組工業用燈源動輒上萬省了很多錢,
當然長期的穩定性可能沒那麼好,不過在離開前也沒聽說出問題,甚至還被拿來複製了很多組,可見進入門檻多低。

現在台灣LED光源廠商查到的有 : 光原(新竹) 、丞基(三重)、極智 (新竹)、曜宇 (樹林)、新耀光(新店)、 光道 (新店)、  歐智達(中和)、宇創視覺 (竹北)等等,這些公司基本上在光源部分各種類型幾乎都有作,也幾乎都有接受訂製,甚至有一些LED元件販賣商店也可以訂製,例如像佳皇;也有一些廠商其實是委託上面這些廠商 OEM/ODM 再掛自己的品牌跟規格型號。
台製品比起國外大廠在價格上也相對便宜,如果在原料篩選跟製作細節上更用心點,相信在價格優勢與在地化服務優勢上可以打趴國外一堆大廠,事實上,一般常用的LED光源現在也真的都是以台灣廠商為主。

不過這幾年MIC產品也越來越多,甚至欺門踏戶來台灣大打廣告,也有一些號稱台灣廠商卻是進口的 MIC 產品在賣,如果是台灣設計MIC就算了,但是如果完全是ODM/OEM掛牌其實就不太好。

接下來簡單介紹 LED 光源

相機收到跟被檢物有關的光不外乎來自被檢物與其他周遭夾治具等物體表面的反射光,透明物質的穿透光,還有來自被檢物的發光三種狀況。

通常使用工業光源的目的,有很高比例主要是對透明與不透明物體提供反射光的光源,將檢測目標相對於背景突顯出來,打光的重點主要以不同角度、方向組合成不同形式的光(點狀、平行、背照、擴散、同軸等),目的使被檢物的表面或邊緣相對背景有不同的反射光強度,如此一來就可以得到高對比的影像,在進行視覺處理時就可以輕易將需要的特徵辨識出來取得資訊。

光源的分類型式有很多種,包括:
1. 直接照明、間接照明:
直接照明就是光源直接照射到物體表面,除非有經過特殊的光學鏡片設計導引光線,一般來說由於光源出光幾何特性的關係,如下圖不同角度光的強度比例,很明顯在光源中央部分的亮度會比邊緣亮度高,產生很強烈的中央照光較亮的情況,如果物件表面反光強,這種情況會很容易產生眩光,需要檢出的特徵可能就會被隱藏在眩光之中無法被檢出。
圖片來源:Lumileds 網站

間接照明就是先照到半透明板擴散或反射板後再照到物體表面,光線通常會比較平均分布,光通常也比較多方向(散亂),但是相對有機會讓具有微小高度物件的側面反射光線進入相機。


2. 光的方向:指向性/漫射性/點光源/平行光...
照射的光源若視為直線前進的粒子,可以追溯其來源為點發射擴散的情況,或者是像太陽光來自無窮遠的平行光線。
平行光線對物體邊緣在軸向上的表現有其優勢,尤其是在尺寸量測用途方面,所以平行光越來越頻繁的應用在自動化光學檢測上,搭配上近年來遠心鏡頭的蓬勃發展,有的遠心鏡是被應用在將點光源轉換成平行光線上。

3. 光波長
從小學就知道彩虹是由不同波長的光所表現出來,同樣的道理下,不同的波長光源對特定物體的吸收、穿透與反射也會產生不同的效果,市面上常見有紅、藍、綠、白光,也有紅外線(850、940)、紫外線370、400等幾種可以選擇,若要更特殊波長的光源就要多花點錢,也要考慮相機支不支援。

4. 照光角度
被檢測目標物跟背景在幾何、材質關係上的不同,提供光源照射後不同的不透明物體反射、透明物體折射行為,都會有機會使被檢物在相機上呈現出不同的特徵,但是有時需要在特殊角度時才會產生足夠的對比差異,讓影像處理後可以被辨識出。

對光源廠商,分類的方式主要都是以產品組合在思考。

以 Moritex 為例,光源先分成 "LED Illumination" 跟 "Light Sources and Fiber Optic Guides";
"Light Sources and Fiber Optic Guides"LED 其實對 Moritex 來說,是傳統舊有"光纖光源"的新世代光源產品,所以在分類上就乾脆獨立出來,早期賣LED光源很貴,原因是作的廠商非常少。

台灣的光源廠商,因為直接就是從LED領域開始,自然就是以 LED照明光源為主。
坦白說因為價格與使用壽命上的優勢,除非有特別的光波長需求,傳統的燈泡式光纖光源在自動化光學檢測應用以前越來越少,
價格高,燈泡壽命短,一般應用上幾乎大多數都被 LED 光源所取代。

像宇創視覺,光源的分類,就是LED組成不同形狀的光源、光波長分類,以光源形狀來看,就是:環形光、條形光源、半球形光源、背型光板、導光板背型光源、平行式背型光源、點光源(內同軸)、平行式點光源、線型光源、高亮度聚光型線型光源、可調式回型光源、外同軸光源、方形無影燈,總共13種,每一種再選不同的光波長,這種分類方式,很明顯的就是以產品角度出發,告訴使用者公司有這13種形狀的光源可以賣或訂製特規尺寸,對比較與使用過的工程師來說很直接跟方便。
其他像光原、極智、曜宇、新耀光、光道視覺等等都是很類似的分類方式。

丞基比較不同,先把光源分成LED直接照明、LED間接照明、LED特殊照明三種,直接照明類型分成環型、環形低角度、條型三種;間接照明(加上擴散版)比較多有分為11種:方型、線型、背光、環型低角度、方形低角度、環型低角度、薄型外同軸、外同軸、環型低角度(重複了)、內同軸點狀、半球型漫射;特殊照明:顯微鏡專用(環型燈)、LED平行光源(點狀+遠心鏡)、多色,其他無關的就不列了。

歐智達的分法是點光源、條型光源、散射式光源、背光源、同軸光源、穹形光源、環型光源七種。
台灣這幾家裡面,我覺得歐智達跟光道視覺網站的介紹還不錯,很清楚表示出相機、鏡頭、光源的相對關係。

每家公司在網站上提供的資訊狀況差異很大,以選擇光源的角度來看,可以先參考歐智達,以清楚的光學系統關係,跟產品設計使用說明,丞基跟 Moritex 網站有光源亮度分布的資料可以參考;至於要選擇哪一家買,就看跟業務接觸的感覺以及價格來決定。

點光源

可搭配有預留接口的鏡頭當內同軸使用,基本上就是用來取代以往的燈泡式光纖光源,價格經濟實惠,體積小,應用廣泛。
點光源(下圖)、內同軸光源(上圖)
圖片來源:歐智達


點光源,圖片來源宇創視覺
點光源不同距離下雨距離中心的亮度分布
圖片來源:Moritex
可以選擇不同的光波長(紅、藍、綠、白...),如下圖:
點光源使用LED光波長
紅光 625.6 nm
綠光 546.5 nm
藍光 463.6 nm
圖片來源:Moritext

環型光源

將多顆LED環狀多層(常見1~3層)排列,在中央圓形部位形成均勻明亮的光線,有不同角度設計,可以針對不同被檢物邊緣、高度狀況選用,以凸顯特徵。

高角度環型光,多數顯微鏡用的也是這一種
圖片來源:歐智達
中角度環型光
圖片來源:歐智達
低角度環型光
圖片來源:歐智達

平行式環型燈
圖片來源:歐智達
平板型環型燈
圖片來源:歐智達
環型光不同工作距離(高度)亮度變化
圖片來源:Moritex
環型光在不同工作距離(高度)與距離中心位置的亮度分布
圖片來源:丞基
環形光源
圖片來源:丞基


條型光源

實務上,有很多被檢物其實長的四四方方,所以在邊緣上若使用環型光,會有直線段在不同位置亮度不同的情況,這時候可以使用條型光源;
或者是應用在 Line Scan上。
條形燈組合
圖片來源:歐智達
也可將條型光源組合成"回"字形使用,同樣也有不同角度調整,以強化特徵邊緣的反射情況。
可調整角度條形燈
圖片來源:歐智達
回狀光源不同高度,距離中心亮度變化
圖片來源:丞基
條形回狀光源
圖片來源:丞基

背光源

所謂的背光源指得是放在相對相機位置被檢物的背側,如下圖所示:通常會加上擴散板。
背光源示意圖
圖片來源:歐智達
常見的背光源通常是板狀,標準品通常是矩形,但是也可以訂製圓形,看光學系統的需要,記得早期還沒有LED光源的時候,曾經拿省電燈泡當光源,一樣也是用得嚇嚇叫,價格又相對便宜到不行,現在很少見,用省電燈泡當光源看起來實在是太Low了!

背光源實品圖
圖片來源:丞基
以上四種是市面上最常見、最常使用的光源,其他的光源有興趣可以上各光源廠商網站看看。

專業的 AOI 設備廠商會有自己的光源設計部門,
針對被檢物特性,
選擇適當的光源波長,
設計適當的照射角度與範圍,
尤其是當被檢物是透明/半透明物體或尺寸很小時,
光源的波長跟照射角度對被檢物檢出能力的影響就非常的大。

光源與被照物跟相機的光學系統設計因為量少,比較少看到有使用光學模擬軟體進行模擬,有點可惜,有機會應該來試試。

其他光源相關:
自製點光源
LED光源設計的想法
Fresnel Lens


參考資料:
1. NI, A Practical Guide to Machine Vision Lighting.

1 則留言:

  1. 寫的很清楚,我是遠心鏡頭的生產家,有幾乎可以互相交流0933636080

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