作者：曾旭博士
一、背景介紹
近年來，隨著工業(yè)4.0及人工智能的發(fā)展，越來越多的自動化設(shè)備被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程中。工業(yè)4.0離不開智能制造，我國在2015年提出的“中國制造2025”宏偉計(jì)劃中，第一項(xiàng)戰(zhàn)略對策就是“推行數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造”，而智能制造中，最核心的一環(huán)就是機(jī)器視覺。機(jī)器視覺是指通過機(jī)器來模擬人眼的功能，對客觀事物進(jìn)行信息提取，處理和分析，最終實(shí)現(xiàn)檢測和判斷，最終交給計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。中國是機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)發(fā)展最為迅速的國家，目前已經(jīng)在工業(yè)，航天，醫(yī)療，交通，科研等諸多行業(yè)進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用。
圖1 機(jī)器視覺代替人眼
二、目前機(jī)器視覺存在問題
典型的工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)包括：光源，鏡頭，相機(jī)，圖像采集卡，軟件，監(jiān)視器，輸入/輸出等。對于光學(xué)檢測來說，機(jī)器視覺系統(tǒng)的性能主要取決于系統(tǒng)中光學(xué)相關(guān)部件，比如光源，鏡頭，相機(jī)等的性能。此外，光學(xué)檢測要求的精度一般都較高，但是大多數(shù)相機(jī)在出廠時，并沒有專門針對光學(xué)檢測應(yīng)用進(jìn)行專門校準(zhǔn)，往往會導(dǎo)致機(jī)器視覺系統(tǒng)的精度達(dá)不到要求，結(jié)果會出現(xiàn)誤差。
比方說，如果將剛出廠的工業(yè)相機(jī)對著一個均勻照明的發(fā)光面進(jìn)行拍照，拍攝出的圖像四個角往往會出現(xiàn)暗區(qū)，這主要是由于相機(jī)鏡頭的余弦響應(yīng)造成的。此外，由于相機(jī)傳感器（CCD/CMOS）的非均勻性，也會導(dǎo)致對均勻光場成像的時候，圖像的亮暗，顏色不均勻，如下圖所示。以上這些因素，都會導(dǎo)致在一些精密的光學(xué)檢測（比如平板顯示檢測）時，檢測結(jié)果和真實(shí)情況出現(xiàn)較大偏差。
圖2 校準(zhǔn)前相機(jī)平場響應(yīng)
除此之外，相機(jī)對于不同亮度的線性響應(yīng)也不同。由于相機(jī)輸出的信號是灰度值，并不具有真實(shí)的物理意義。因此，在做光學(xué)檢測（比如說亮度檢測時），需要對相機(jī)進(jìn)行線性度和亮度標(biāo)定，建立起相機(jī)灰度信號和真實(shí)亮度的關(guān)系曲線。
三、工業(yè)相機(jī)校準(zhǔn)解決方案
為了解決以上機(jī)器視覺系統(tǒng)中存在的問題，提高機(jī)器視覺系統(tǒng)，尤其是AOI等光學(xué)檢測系統(tǒng)的精度，歐洲機(jī)器視覺協(xié)會EMVA提出了《EMVA1288：成像傳感器和相機(jī)性能表征標(biāo)準(zhǔn)》，其中介紹了如何對成像傳感器及相機(jī)的空間不均勻度，靈敏度，線性度和噪聲等一些列指標(biāo)進(jìn)行表征和校準(zhǔn)的辦法。其中明確寫到：“最好的均勻光源是積分球均勻光源”，且推薦“光源的均勻性要大于97%”。
圖3 藍(lán)菲光學(xué)相機(jī)平場校正方法
用戶在使用時，只需要相機(jī)對準(zhǔn)均勻光源的開口，拍攝一張圖像，再經(jīng)過算法進(jìn)行計(jì)算，就可以對相機(jī)的均勻性進(jìn)行校正，這一過程稱為平場校正。經(jīng)過均勻光源校準(zhǔn)后，相機(jī)的均勻性可以顯著提高。如下圖所示，為一個工業(yè)相機(jī)經(jīng)過積分球均勻光源校正前后相機(jī)的均勻性測試結(jié)果。從圖中可以很明顯看出，校正前相機(jī)的均勻性較差，中心場的響應(yīng)優(yōu)于周邊的響應(yīng)。校正后相機(jī)平面內(nèi)的響應(yīng)一致。
相機(jī)校正前
相機(jī)校正后
圖4 工業(yè)相機(jī)經(jīng)過藍(lán)菲光學(xué)LED 均勻光源系統(tǒng)平場校正前后對比
四、完美的積分球面光源
工業(yè)相機(jī)的精度決定了機(jī)器視覺系統(tǒng)的檢測精度，校準(zhǔn)光源的均勻性決定了工業(yè)相機(jī)的精度。越是均勻的積分球光源，經(jīng)過其校準(zhǔn)后得到的相機(jī)均勻性越高。根據(jù)積分球的原理，入射到積分球的光在積分球內(nèi)部進(jìn)行多次反射，最終在輸出端口得到亮度，色度都完全均勻的面光源。積分球的出光口均勻性主要取決于以下幾個方面：
1. 積分球內(nèi)壁材料的反射特性。材料的反射特性可以分為朗伯反射，鏡面反射和混合反射。由積分球原理可知，積分球內(nèi)壁材料反射特性越接近朗伯特性，其開口處均勻性越高。此外，當(dāng)入射光是寬譜光時（比如白光），材料的光譜反射一致性決定了開口處的色度均勻性，材料的光譜反射率越一致，也就是對各個波長的反射率越一致，開口處的色度越均勻。
2. 積分球的設(shè)計(jì)。如何設(shè)計(jì)積分球的尺寸，入射光的位置，擋板的位置和方向，都會影響積分球開口的均勻性。
藍(lán)菲光學(xué)積分球均勻光源LED-USS提供了一種超均勻，高動態(tài)范圍，亮度/色溫均可精細(xì)調(diào)節(jié)的面光源。該積分球光源采用藍(lán)菲光學(xué)獨(dú)有的高反射率完美朗伯反射材料Spectraflect，基于藍(lán)菲光學(xué)40余年的光學(xué)系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，精細(xì)的積分球結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是機(jī)器視覺相機(jī)校準(zhǔn)的完美解決方案。其主要具有以下特點(diǎn)：
· 出光面超級均勻，均勻性大于99.5%
· 系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性高，穩(wěn)定性達(dá)0.1%
· 亮度線性可調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)從微弱光0.1cd/m2至25000cd/m2的亮度輸出
· 色溫動態(tài)可調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)從低色溫2700K到高色溫7500K的輸出
· 自帶亮度監(jiān)控，實(shí)時觀測亮度輸出情況
· 軟件實(shí)現(xiàn)光源和探測器的全部控制，界面簡單易用，可提供控制指令供二次開發(fā)。
· 系統(tǒng)還可定制各類色溫，亮度，單色光，大視場角等不同參數(shù)的光源
圖5 藍(lán)菲光學(xué)LED 均勻光源系統(tǒng)（LED-USS）及開口處光斑亮度分布
LED-USS是目前世界均勻性最高的面光源，其卓越的性能可以滿足EMVA1288要求的相機(jī)均勻度，線性度，信噪比，動態(tài)范圍等諸多參數(shù)測試。是從研發(fā)到生產(chǎn)，各類工業(yè)相機(jī)的理想校準(zhǔn)光源。
