Wählen Sie die Größe der Machine-Vision-Beleuchtung

Die Bildverarbeitungstechnologie ist eine wichtige Säule der modernen industriellen Automatisierung und intelligenten Fertigung und wird weitgehend in Inspektion, Navigation, Qualitätskontrolle und anderen Bereichen eingesetzt. Dabei handelt es sich bei den 2D-, 2,5D- und 3D-Vision-Technologien um drei zentrale Technologien, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungsszenarien aufweisen.

I. Hintergrund

Bei der Bewertung einer Beleuchtungslösung ist es wichtig, einen angemessenen Platz für die Beleuchtungsquelle vorzusehen.

Wenn während der Bewertung im Vorfeld keine Tests und Verifikationen der Beleuchtung durchgeführt werden, kann es später zu dem Problem kommen, dass der reservierte Platz zu klein bemessen ist. In der Praxis ist die tatsächliche Größe der verfügbaren Beleuchtung oft größer als der ursprünglich vorgesehene Platz, was sich negativ auf das Projekt auswirken kann; falls eine kompakte installierbare Beleuchtung verwendet wird, um den Größenanforderungen gerecht zu werden, kann es aufgrund einer Nichtübereinstimmung der Beleuchtung zu einer schlechten Bildqualität und unzureichender Beleuchtungswirkung kommen, was wiederum den Projektfortschritt beeinträchtigt. Am Ende bleibt nichts anderes übrig, als den Installationsraum entsprechend der tatsächlichen Größe der Beleuchtung anzupassen, wodurch der gesamte Prozess zeitaufwendig und mühsam wird.

Daher ist es besonders wichtig, bei der Bewertung des visuellen Konzepts die Auswahl der Lichtquelle in der frühen Phase sorgfältig zu bewerten. Derzeit führen die meisten visuellen Konzepte zunächst Beleuchtungstests durch, um Größe und Höhe der Lichtquelle zu bestimmen, und erstellen danach das Design der übrigen Komponenten. Dies unterstützt den reibungslosen Projektverlauf in den späteren Phasen erheblich.

II. Auswahlbeispiele

Im Folgenden sind zwei Bilder aufgeführt, die die Abbildungseffekte großer und kleiner Lichtquellen vergleichen: Abbildung 1 zeigt, dass aufgrund der kleinen Lichtquelle der Lichtfleck das Sichtfeld nicht vollständig abdecken kann; Abbildung 2 zeigt, dass die Größe der Lichtquelle angemessen ist und das gesamte Sichtfeld abdecken kann, wobei der Gesamteffekt gleichmäßig und die Erkennungsmerkmale deutlich sind.

Wie können wir eine Lichtquelle der geeigneten Größe auswählen, ohne vorab Beleuchtungstests durchzuführen? Nachdem wir die Testproben erhalten haben, müssen wir die Erkennungsmerkmale verstehen, den Lichtwegtyp und die Farbe der Lichtquelle bestimmen, und nach der Auswahl dieser Parameter können wir die erforderliche Größe der Lichtquelle beurteilen.

Hauptsächlich gibt es drei Anhaltspunkte als Bewertungsgrundlage. Erster Punkt: Beleuchtungsmodus, es gibt zwei Arten der Beleuchtung, zum einen Frontbeleuchtung und zum anderen Hintergrundbeleuchtung von unten; Zweiter Punkt: Linsenauswahl, es gibt zwei Arten von Linsen, nämlich FA-Linsen und telezentrische Linsen; Dritter Punkt: Arbeitsabstand und Größe des Sichtfeldes der Lichtquellenkonstruktion.

III. Beleuchtungsmodus

Beurteilung anhand des Frontbeleuchtungsmodus, ob die Oberfläche des zu prüfenden Produktes glatt und reflektierend ist. Bei einer nicht reflektierenden Oberfläche sind die Anforderungen an die Größe der Lichtquelle gering, eine Lichtquelle von etwa 1/2 des Sichtfeldes ist ausreichend.

Fokussierung auf die reflektierende Oberfläche als Beispiel, um zu beurteilen, wie die Größe der Lichtquelle ausgewählt werden sollte. Zunächst ist es notwendig, die Merkmale auf der reflektierenden Oberfläche zu erkennen. Der Lichtfleck sollte das gesamte Sichtfeld abdecken und ein gleichmäßiges Bild erzeugen, was einen besseren Kontrast gewährleistet.  

Gleichzeitig sollten drei Parameter bekannt sein: die Größe des Kamera-Zielzentrums, der Arbeitsabstand von der Kamera zur Detektionsfläche und die Größe des Sichtfeldes (die Länge und Breite des Sichtfeldes entsprechen der Länge und Breite des Kamera-Chips). Zweitens, wenn das Objektiv ein FA-Objektiv ist, ist es ebenfalls notwendig, den Winkelparameter zu kennen. Auf diese Weise können der Projektionswinkel und Reflexionswinkel des Kameraobjektivs ermittelt werden, wie in den folgenden Abbildungen dargestellt (Abbildung 3, Abbildung 4, Abbildung 5). Es lässt sich erkennen, dass Projektion und Reflexion eine W-förmige Figur bilden. Wenn sich die Lichtquelle außerhalb des Projektionswinkels befindet (wie in Abbildung 3 dargestellt), entstehen Lichtflecken im Reflexionswinkel; befindet sich die Lichtquelle an der kritischen Position des Reflexionswinkels (wie in Abbildung 4 dargestellt), wird der Lichtfleck am Rand des Bildfeldes sichtbar sein; erst wenn sich die Lichtquelle außerhalb des Reflexionsrandes (W) befindet (wie in Abbildung 5 dargestellt), kann ein gleichmäßiger Bildgebungseffekt entstehen.

Dies gilt auch für die untere Hintergrundbeleuchtung, hier ist jedoch keine Berechnung des Reflexionswinkels erforderlich. Je weiter die Lichtquelle von der Detektionsfläche entfernt ist, desto größer ist die erweiterte Breitenentfernung des Projektionswinkels. Bei der Auswahl einer Hintergrundbeleuchtung für ein FA-Objektiv kann auf diese Weise berechnet und bewertet werden. Wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

IV. Objektivauswahl

Die oben genannten beiden Beleuchtungsmodi erwähnen nur das FA-Objektiv, und die Bilder und Texte orientieren sich ebenfalls anhand des FA-Objektivs als Referenz. Es gibt jedoch noch eine weitere Objektivart, die erläutert werden muss, nämlich das üblicherweise verwendete telezentrische Objektiv. Das telezentrische Objektiv gehört im Wesentlichen zum Typ mit parallelem Lichtpfad. Daher muss bei der Auswahl der Lichtquellengröße mit einem telezentrischen Objektiv lediglich sicherstellen, dass diese etwas größer als das tatsächliche Sichtfeld ist. Wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

V. Arbeitsabstand und Sichtfeldgröße der Lichtquellenstruktur

Nachdem der Kamera-Ziel-Mittelpunkt, die Arbeitsentfernung, der Linsenwinkel, der Abstand der Lichtquelle und das Sichtfeld bekannt sind, kann die Größe der Lichtquelle durch Berechnung ermittelt werden. Gleichzeitig können Software wie CAD verwendet werden, um basierend auf den Parametern Grafiken zu erstellen, um visuell zu überprüfen, wo der Lichtfleck der Lichtquelle liegt, und festzustellen, ob die ausgewählte Lichtquelle die richtige Größe hat. Wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

Wenn das Objektiv ein normales FA-Objektiv ist, lässt sich aus den Eigenschaften ähnlicher Dreiecke der Zusammenhang zwischen Arbeitsabstand der Lichtquelle (Wd) und der Länge der Oberflächenbeleuchtung (L) ableiten:  

WD/(WD+wd)=FOV/L

Wenn das Objektiv ein telezentrisches Objektiv ist, muss die Einbauposition der ausgewählten Lichtquelle lediglich sicherstellen, dass  L > FOV.

Vi. Schlussfolgerung

Bei der maschinellen Sichtprüfung ist die Auswahl der visuellen Lichtquelle ein wichtiger Bestandteil. Die richtige Auswahl des Beleuchtungskonzepts trägt dazu bei, dass das gesamte Vision-System reibungslos funktioniert, und eine geeignete Lichtquelle kann effektiv Kosten sowie Bauraum der Mechanik sparen.