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使用进阶光源部署 扩展机器视觉应用

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机器视觉的系统效用,为透过传感器搭配辅助光与后续图像处理进行,每个环节出现误差就会影响识别品质。Automation Technology GmbH
机器视觉的系统效用,为透过传感器搭配辅助光与后续图像处理进行,每个环节出现误差就会影响识别品质。Automation Technology GmbH

机器视觉系统可进行大量、且快速的工件状态数据获取,也能整合自动化系统进行处理,除可运用于加工状况监控外,利用特殊光源强化撷取图像、同时搭配进阶图像分析处理,持续推进机器视觉应用探索更多应用可能…

机器视觉系统为运用电子设备取代肉眼视觉,搭配信息系统进而扩展如自动化处理与进阶图像分析等用途,实际上若仅使用常规图像撷取、分析,机器视觉系统系统能扩展的应用就相对受限,反而透过不同的光谱光源辅助、搭配对应的图像撷取模块,不仅可以推进机器视觉系统朝更高精度或是扩展3D检测等进阶机器视觉系统应用,也能对于传感精度、速度与正确率大幅提升。

机器视觉不会倦勤 大量生产检测工作效率高

机器视觉系统的优点就在于它能达到人眼无法达成的检视效用,尤其在精密度与分析成果,因为是利用机器与分析软件辅助,所以检测结果在重复性的工作上,更不会发生因为品检人员疲劳或分心问题,检测品质只要图像撷取与处理程序处理得宜,基本上都能达到优于人眼目测品检的成果。机器视觉系统甚至可运用特殊光源辅助,达到超越人眼的检测用图,如检测加工工件的表面处理区面状态、或是整体工件的加工品质等。

在系统组成结构方面,机器视觉系统为由光源、镜头、图像撷取模块、图像采集界面卡、影像处理平台所组成,影像处理平台包含工业用电脑(或是进阶工作站)与机器视觉图像分析软件等,影像处理卡则在图像撷取系统为类比视讯输出传送视讯,需配置对应影像撷取卡,而新的数码影像撷取模块为使用数码传输线路整合,数码视讯传送可透过如数码序列传输线连接,送达机器视觉图像分析电脑的视讯不需再处理类比/数码转换,可直接将视讯转入分析软件进行图像分析处理,处理速度可进一步再提升。

部署正确辅助光源 需先理解不同光源特性

除传输影像格式外,另一个影响机器视觉系统导入效用的重点即在于辅助光源,而在机器视觉系统设计中,环境照明(Lighting)设计为工序现场可加以控制重要条件,其可控制的参数相当重要,如光源的方向(Direction)、光谱(Spectrum)、极性(Polarization)、强度(Intensity)、均匀性(Uniformity)…等可控参数。

光的辅助照明主要会有直射(Directed)设置与散射(Diffuse)设置两种方式,两种光源设置的差异主要是由选用辅助光源类型与光源放置位置差异而定;光谱即为辅助光的颜色表现,主要重点在光源的发光类型,撷取端为针对光源或是镜头、滤光片、传感器的性能表现,至于光源之光谱为使用色温进行测量;极性部分则为光波本身的极性表现,例如,镜面反射光就是有极性光型、漫射的反射光(diffused reflected light )则为没有极性的光型,一般可在镜头前端再增加对应滤光处理来减低镜面反射光的问题。

在光的强度部分,光强度不够会影响图像对比度降低、光强度太大则会导致光源功耗浪费、光源还需使用主动散热处理,也可能导致光源部署衍生维护问题;在辅助光的均匀性(Uniformity)方面,是维持机器视觉系统稳定撷取工件图像最基本部署要求,但光的均匀性也会因光源距离、设置角度、光强度而出现差异。

受测工件的光学特性 也会影响视觉系统运行品质

对机器视觉系统所撷取的工件物体状态,其工件的物理光学特性也会影响整个光源部署的最佳化方法,其中包含工件的对光的反射(Reflectance)、透射(Optical density)、折射(Refraction)、颜色(Color)、纹理(Texture)、高度(Height)、表面方向(Surface orientation)…等条件差异。

受测工件的反射材质问题,主要会有镜面反射与漫反射两种反应类型;透射型的工件状态,部署光源必须关注的重点在于工件物体本身使用的材料、构成结构与工件厚度状态;工件的折射表现,主要是透明工件材料才会有的光反应状态;工件本身的材料或是外观加工的颜色状态,会影响材料的透射、反射状态;工件的纹理状态,材料本身的纹理可利用辅助光弱化纹理,或是利用光的设置角度凸显工件纹理;工件本身的高度,采行直射式的辅助照明,可强化工件的高度图像分析结果,使用散射型的辅助光则可减弱工件本身的高度状态;工件的表面方向特性,辅助光源采直射式照明,可增加材料表面的方向性图像撷取信息,若使用散射型的照明辅助,则可弱化工件材料表面的方向性信息。

搭配镭射参照处理 提升3D机器视觉效用

除了材料本身对光的物理特性外,在机器视觉使用3D视觉检测场合越来越多,导入3D视觉检测对于辅助光源要求更高,往往还需要在系统增设更高品质、高稳定度表现的线光源进行图像分析辅助,另对特殊线光源的输出功率、线宽表现、景深表现的实际效用,均有当高的精度要求。

一般会搭配半导体镭射器产生镭射光束、再搭配光学透镜总成产生线性辅助参照光源,实现较为均匀、稳定的功率分布状态。一般半导体镭射器辅助下的机器视觉系统,可用于如工件的加工处理、开孔精密度确认或位置校准用途,此外如材料工件处理加工工序后的表面轮廓确认测量、半导体蚀刻或加工处理品质确认、工业用进阶检测等机器视觉用途,均是常见的辅助设计方式。

使用半导体镭射发射器辅助参照有相当多优点,因为镭射器在参照线的输出波长与输出功率表线都相较其他光源更为稳定,镭射发射器使用恒定功率输出控制,在输出参照线的同时也搭配传感机制回扩输出效果,透过回馈电路主动调校维持稳定输出品质,而半导体镭射发射器也具备高可靠性、过电压保护、静电保护与高温保护等设计,维持整个机器视觉系统的高稳定度运行表现。

半导体镭射发射器的参照图样多元,可以针对验证分析需求选择对应的输出参照线图样,使用如单一直线、十字线、平行横线、4 x 4/7 x 7格网线、单一直线排布的点状虚线、正方阵列式方形点状图样、圆形图样、同心圆图样…等不同输出样式选择,可针对工件量测的使用检测重点,选择所需的参照输出样式。而在半导体镭射发射器的参照线使用条件,除线宽、景深是重要参考参数外,也必须注意输出图样本身的线性度表现,因为若线性度表现不佳,经由机器视觉系统撷取反馈至分析系统的图像就会出现判断误差,对线性度的要求可关注在准直角的温度飘移表现,与各项精度要求数据进行部署系统的参考。