Осветителни техники и технологии в системите за машинно зрение

• Качеството и техниката на осветяване, както и прилагането на подходяща осветителна технология, са от ключово значение за надеждността на визуалната инспекция в индустрията
  
  
• През последните няколко години в сегмента се налага светодиодното осветление поради множеството си предимства в сравнение с алтернативните технологии
  
  
• Редица производители на осветителни решения в областта на машинното зрение предлагат мултифункционални лампи, които позволяват изпълнението на повече от една техника на осветяване

Качеството и техниката на осветяване, както и прилагането на подходяща осветителна технология, са от ключово значение за надеждността на визуалната инспекция, изпълнявана посредством системи за машинно зрение в индустрията.

За да бъде проектирано ефективно осветително решение за такива приложения, е необходим задълбочен анализ на средата, в която ще се осъществява инспекцията, включително на: начина, по който се експонират обектите, взаимодействието им с източника на светлина, възможните техники на осветяване, геометричните особености на експозицията, необходимостта от филтриране, сензорните характеристики и цвета на инспектираните обекти и др.

Осветително решение според приложението

Всяко приложение в областта на визуалната инспекция се различава от останалите по много показатели, сред които са отрасълът и типът на производството, размерите, видът, еднородността, цветът и формата на инспектираните обекти, тяхното количество и скоростта им на придвижване покрай системата за машинно зрение и т. н. Ето защо на практика няма универсално осветително решение, което да е подходящо за всякакви индустриални приложения в сферата на визуалната инспекция.

Ефективността на осветителната система зависи от редица фактори. Важно е след конфигурирането й за дадено приложение да няма несъответствия в размера, формата, ориентацията, разположението и други основни визуални характеристики на обектите на инспекция, както и в комбинацията от изкуствено осветяване и естествена светлина.

Доскоро на пазара на решения в областта на автоматизираната визуална инспекция нямаше специфична или доминираща осветителна технология. Поради тази причина в различните конфигурации се използваха стандартни луминесцентни източници или конвенционални лампи с нажежаема жичка в комбинация с естествена светлина.

В съвременните приложения на системите за машинно зрение, и по-специално в малките и средни по мащаб станции за визуална инспекция, най-често намират място луминесцентни, кварцови халогенни и светодиодни източници.

Метал-халогенните, ксеноновите и натриевите лампи с високо налягане типично се използват в по-мащабни приложения или в зони за инспектиране, изискващи светлоизточник с висока яркост. Живачните лампи често намират употреба в микроскопските системи, тъй като имат множество дискретни пикове на дължината на вълната, което допълва използването на филтри за изследвания под флуоресцентна светлина. Ксеноновите източници са подходящи за сценарии, в които е необходимо ярко строб осветление.

В първите по-съвременни приложения на системите за машинно зрение в индустрията преобладават луминесцентните и кварцовите халогенни източници. През последните няколко години в сегмента почти изцяло се налага LED технологията поради множеството си предимства в областта на визуалната инспекция – подобрена стабилност, интензитет и разходна ефективност. Макар при осветяването на големи зони луминесцентните лампи все още на места да се предпочитат като по-икономичен вариант, светодиодните източници са по-ефективно решение за случаи, в които фокусът е върху гъвкавостта, постоянството в качеството на осветяване и дължината на експлоатационния живот. В зависимост от изискванията на приложението, може да се използват и две или повече различни осветителни технологии, всяка осигуряваща съответните предимства.

Критерии за избор и техники на осветяване

При избора на светлинен източник за дадена индустриална система за машинно зрение, освен яркостта, е добре да се вземе предвид и спектралният състав на излъчваната светлина. В микроскопските приложения обикновено се използват кварцови, ксенонови или живачни лампи с пълен спектър, особено при цветните изследвания. Монохромните LED източници пък са подходящи както в комбинация с черно-бели CCD камери, така и за по-съвременните цветни системи с появата на белите и многоцветни “all color-RGB” светодиоди (излъчващи всички цветове).

В случаите, изискващи висок интензитет на осветлението, например при високоскоростната визуална инспекция, е препоръчително спектралният диапазон на източника да се съобрази със спектралната чувствителност на камерата за машинно зрение. Сензорно базираните CMOS камери например са по-чувствителни към инфрачервена светлина в сравнение със CCD камерите, което им дава значително предимство по отношение на чувствителността в конфигурации с по-слабо осветяване при използването на инфрачервени светодиоди или на лампи с волфрамова жичка и силно инфрачервено излъчване.

Наборът от техники за осветяване на обектите на визуална инспекция в индустриалните системи за машинно зрение включва: задно осветяване, дифузно осветяване, осветяване чрез метод “ярко поле” (bright field, частично или насочено), както и осветяване чрез метод “тъмно поле” (dark field).
Приложението на някои от тези техники изисква специфична геометрия на конфигурацията или определени корелативни позиции на източниците на осветяване, обектите на инспекция и оборудването за машинно зрение. Една стандартна лампа за осветяване чрез метода “ярко поле” например може да бъде използвана и за осветяване посредством обратната техника, докато една дифузна лампа типично се използва само за съответната специфична конфигурация.

Много производители на осветителни решения в областта на машинното зрение предлагат мултифункционални лампи, правещи възможно изпълнението на повече от една техника на осветяване. При LED технологиите за визуална инспекция от ново поколение на пазара са достъпни модели, които позволяват с един източник да се реализират всички възможни техники за осветяване, по този начин разширявайки приложната област на системата и увеличавайки ефективността й. Това подобрява гъвкавостта на инспекцията и намалява потенциалните разходи, свързани с изпълнението на разнородни задачи в сферата на машинното зрение на една и съща станция за визуална инспекция.