测试物体与光的相互作用测试物体的风险因素

对于机器视觉而言，光开始与测试物体相互作用时，测试物体立即成为决定性的，但并非可预测的组成部分。测试物体可能带来哪些问题呢？

首先，测试物体的光学特性并不是恒定的。我们应该考虑到，机器视觉的光学检测不仅限于具有稳定光学特性的零件。零件可能具有完全不同或不断变化的特性，例如不同颜色的塑料成型零件。这些零件的功能对于它们自身可能并不重要，但对于视觉系统的功能可能意义重大。

机器视觉的经典困境在于，我们对于测试物体的光学特性知之甚少，甚至几乎一无所知。大多数零件甚至没有为这些特性进行过规定。这几乎意味着我们要处理一个黑箱零件。

表3.7列出了影响光学检测可能性的一些测试物体特性。

通常，甚至客户自己都无法预见这些特性的变化，因为他依赖于承包商，通常并不了解背后的技术过程。因此，测试物体仍然是头号风险因素。可以通过使用匹配的照明来限制风险因素。

测试物体对进入的光有何影响？

进入测试物体的光被分为三个基本部分（见图3.24）：

• 反射于测试物体的光量 – 反射率 R

• 穿过测试物体的光量 – 透射率 T

• 被测试物体吸收的光量 – 吸收率 A

根据能量守恒定律，所有三部分的总和为：

最重要的是，测试物体的这些材料特定的特性值取决于波长和入射角，但还有一些其他影响因素。真实的测试物体始终是一个未知的反射、吸收和透射的混合体。这里不考虑荧光效应。

反射/反射率/散射

在机器视觉中，反射光主要在光学上塑造了物体。反射是光在具有不同折射率的材料的表面和界面处发生偏转。它构成了镜子和棱镜中的成像基础。根据反射定律，光基本上是从入射光线和反射光线位于同一平面的部位反射出来的。反射后，反射光的振动方向发生了变化。这是偏振。

通常，机器视觉中的部件位于空气中，使得入射角等于反射角。测试物体的几何宏观结构通常决定了光的反射位置（见图3.25）。但几何微观结构（表面质量和粗糙度）会影响光的反射方式。表面会将光进行扩散或散射，并决定反射后的光分布。测试物体的不同反射特性在图像中会呈现不同的灰度值。这一事实是导致视觉系统故障的主要原因。

定向反射的条件是表面光滑，其峰谷高度小于λ/4（瑞利条件）。如果峰谷高度大于此值，光将进行散射，即呈现扩散。反射表面的定向特性取决于材料，尤其取决于表面处理。抛光表面的反射特性将与铣削表面不同，磨削表面与喷漆表面也不同。

根据这些不同的可能光分布，只有少量的光能量会反射回相机镜头。其余部分将分布到周围整个区域的反射表面。反射光能量可以被大幅减少。细节需要从零件到零件以及从应用到应用进行检查。

关于反射程度的一般信息可以通过材料特性值反射率 R 得到，该特性值表示了反射和入射光通量之间的关系：

其中，Φr 表示反射光通量，Φ0 表示入射光通量。

反射率取决于诸如材料、波长/色温、光的偏振、入射光角度等因素（见图3.26）。

对反射特性的广泛考察给出了特性值光泽因子，它表示定向反射与散射反射之间的比率。较高的光泽因子意味着较大的定向反射量。

这些值可用于对光反射到镜头和传感器的近似计算中。

举例，当入射照度为100勒克斯（来自光源）照射在镍表面时，只有45到63勒克斯的光线会反射到相机。光照的效率被大幅降低。

透明材料不仅在表面上反射，还倾向于在背面反射（见图3.24）。这会导致背面反射，形成双影像或幽灵影像。为了实现有针对性的反射，只使用薄膜材料，以避免此问题，或者如果可能的话，使用防反射涂层来减少它。

这对于机器视觉的特殊测量方法可能是有用的，例如使用激光点的双影像测量玻璃板的厚度。通过在玻璃板上以已知入射角照射，可以测量入射点与反射点之间的距离，从而计算出厚度。

最后但并非最不重要的是，它还影响了测试对象在反射光中的形状。尖锐边缘和圆角边缘的部分具有完全不同的反射特性。因此，材料边缘的形状在很大程度上决定了到达相机镜头和传感器的光线（见图3.27）。

甚至化学过程（表面处理、腐蚀、防腐）也会影响反射。它们会改变反射率。

如果从不同供应商那里获得使用不同制造和表面处理程序的零件，请注意这一点。在潮湿或化学侵蚀的环境中存放的零件可能会腐蚀。它们在外观上与（完美的）试制品的零件基本上是不同的。

经过防腐处理的零件也会改变其反射特性。只是提到了清洁金属零件、带有油膜的金属零件或覆盖有蜡的金属零件之间的区别。

小贴士

选择两个尽可能在反射方面不同的样本测试物体。使用视觉系统确定两个部件反射光的差异，并比较灰度值。这些参数如何变化？它们是否都满足软件安全功能的需求？如果不满足，可以尝试更改照明和/或照明方法！

小贴士

根据反射定律考虑测试物体上的反射。考虑部件的微观和/或宏观结构。将光源放置在使光线反射到相机的位置。尝试从不同的位置进行，直到获得所需位置的反射。

全反射

在反射部件上（例如透明玻璃和塑料），存在一种特殊现象，即全反射。在边缘角度αl以上，一些材料会完全反射。例如，这种现象发生在水、玻璃和塑料的表面上，当用于光在棱镜和光纤玻璃内的反射时，它可以带来收益。

这需要满足的条件是入射光的角度大于边缘角αl，并且折射率从较高的值过渡到较低的值（见图3.28）。

其中，n是反射前的折射率，n'是相邻介质的折射率。

边缘角的典型值为：

对于水（n = 1.33）与空气（n' = 1）之间的过渡，边缘角为48.7度。对于平均光学玻璃（n = 1.5）与空气（n' = 1）之间的过渡，边缘角为41.8度。对于平均光学玻璃（n = 1.5）与水（n' = 1.33）之间的过渡，边缘角为62.5度。

提示：

在检查透明零件时要注意全反射现象。改变视角或照明角度可能会消除或引发全反射现象。

透射/透过率

光的另一部分可以穿过测试物体。用于表征这一部分的材料特定值是透射率（见图3.24和图3.29）。

对于背光应用，透射率是指通过物体的光量，该光量在成像器上为测试物体产生亮度（见图3.30）。透射率越高，零件显得越亮。可能不希望零件具有很高的透射率，因为这会妨碍亮背景（来自照明）和暗测试物体之间的必要对比度。

对于正面照明应用，透射率意味着亮度的损失。进入的光不会按预期反射到摄像头位置。它对摄像头没有用，因为它穿过了物体。

关于透射程度的信息可以用材料特征值透射率T来表示：

其中Φt是透射的光通量，Φ0是入射的光通量。

透射率主要取决于受光材料、波长/色温、光的偏振、光的入射角等。一些透射率的平均值如表3.8所示。

这些值可以用于对通过测试物体的透射光进行大致计算。

举例，在一个漫反射光源中生成的亮度为4,000 cd/m²的情况下，通过一块3毫米厚的白色塑料部件后，仍然会保留大约2,000 cd/m²的亮度。

但是透射不仅发生在测试物体上，还可以发生在插入的光学滤波器上。除了对光信息的光谱影响外，它们还会降低光的透射。

吸收/吸光度

影响测试物体光分布的第三部分光能量是吸收。光在不透明和透明物体中都会被吸收。这部分光能会在测试物体内转化为热能。预测被吸收的光能量的数量很难，因为它取决于许多难以确定的材料因素。

要确定这些因素，可以从转换起始公式得出近似值：

一些吸光度的指导数值在表3.8中给出。请注意，这部分光能量根本不能用于照明目的。

衍射

光学中的一个公理是在均匀介质中的直线传播。然而，作为电磁现象的光可以穿透测试物体，进入几何阴影区域。当光波接触到物体的边缘时，光波会发生衍射。这意味着它改变了传播方向。由于光总是由光线束组成，所以会发生干涉。这从特定的衍射图案中可见（见图3.31）。

衍射效应的大小与所使用的照明波长成正比。所使用的波长越小，衍射图案的宽度就越小。这意味着将照明波长从红外（通常为880 nm）减小到蓝光（通常为450 nm）可以将衍射效应减小近一半。

对于使用单色光和图像比例大于3:1的机器视觉应用，衍射效应将是明显的。对于较小的图像比例，它只会扭曲边缘的灰度值/亮度过渡的宽度和形状。如果衍射效应显著，就需要检查图像处理软件。边缘检测如何进行，软件如何处理衍射图案？边缘是否会被正确地找到？边缘位置是否可靠？（见图3.32）最大梯度算法可以帮助解决这个问题。由于白光是不同波长的混合物，所以不会产生衍射。这种混合防止了衍射的发生。其结果与单色光中最佳边缘相比，在图像中产生了模糊的边缘。光衍射会在光接触到的每个物体边缘发生。这些边缘可能是

• 测试物体（扭曲图像中的灰度值过渡）

• 镜头、传感器上的灰尘斑点等（放大灰尘斑点）

• 光圈、镜头安装（降低物镜的分辨率）

折射

如果测试物体是透明的，并且使用了背光应用，就可能发生折射。基本上，它与折射定律相关。折射率可以在相关的光学文献中找到。

当光通过两个折射率（传播速度）不同的透明材料之间的界面时，光的传播方向会发生偏转。对于所有镜头的功能而言很有用，但对于照明和成像测试物体可能会引发问题和意外（见图3.33）。

提示

如果您正在处理透明的测试物体，可以通过从光源通过测试物体，穿过物镜到达相机传感器的方式进行近似的光线追踪，以显示光的传播变化，取决于所包含测试物体的几何形状。

光的颜色和物体的颜色可见光（VIS）- 单色光

为什么光会呈现特定的颜色？因为它由一定范围或特定波长的光谱组成。

如果用白光照明，为什么测试物体会呈现特定的颜色？因为它只会反射与其自身颜色相对应的光波范围，并吸收或透射其余部分。例如，蓝色物体只会反射蓝光的光波，并吸收其他光波。

因此，用蓝光照亮蓝色零件、用红光照亮红色零件等最为有效（最亮）。

另一方面，存在着最好可能消除的颜色 - 即互补颜色。用它们的互补颜色照亮物体会使其呈现出暗色（见图3.34）。

单色相机对成像传感器中产生的灰度值产生巨大影响。了解这些关系后，可以通过强调或抑制颜色来对测试物体进行对比成像。这对于测试物体具有恒定颜色的情况有效（见图3.34）。另一方面，成像传感器的颜色感知也会影响结果。

彩色相机会产生照明光颜色与零件颜色之间的混合颜色。在这种情况下，预测结果的色调变得困难，因为这取决于许多物质特定因素。

在某些机器视觉应用中，零件的颜色会持续变化。对于这些零件，白光是最好的选择，因为它不会抑制或强调任何颜色。在这种情况下，必须为软件设置找到那些能够检测所有颜色的宽容参数（见图3.35和3.36）。

入射光的颜色可以通过混合（加法混合）使用三种基本颜色——红、绿、蓝（RGB）来实现。在照明平面上，将形成一种新的混合光色，其亮度比初始亮度要高（见表3.9）。

一些新型的大视场成像目标适用于使用单色光。由于内置的透镜和颜色校正，使用这些目标时需要使用单色光来获得最佳成像结果。白光会因色差而降低这些目标的成像能力。

通常，机器视觉的成像目标既可以使用单色光，也可以使用白光。然而，应该考虑到改变照明波长也可能改变工作距离。特别是对于大的图像比例（放大倍率大于1），照明波长明显决定了工作距离。这是基于成像目标内部的透镜的可变折射率，其依赖于波长（色散效应）。较短波长（紫外、蓝光）的折射率比较高，而较长波长（红光、红外）的折射率较低。这意味着紫外/蓝光的工作距离要比红光/红外光更短。这就意味着在改变照明波长时需要调整焦点。

可见光（VIS）- 白光

最自然的光是白光，它是（全部）可见光波长（颜色）的混合物（见图3.10）。一些经典的光源通过其起源原理直接产生白光。

最常见的用途有两种：

• 用于使用单色相机检查彩色零件

• 用于彩色图像处理。

在工业生产过程中，频繁地使用白光是唯一的选择，以处理不同颜色的测试物体。这通常发生在工业生产过程中，如果零件颜色对零件的功能没有影响，但零件来自不同供应商，并且零件的颜色由原材料的混合物引起而变化。

与单色机器视觉解决方案相关，小波长范围的彩色光会强调或减弱单一颜色。这会在不同颜色的零件之间产生高对比度。

使用白光照明会产生尽可能适度的对比度。使用白光是在处理不同颜色的测试物体时的妥协。这需要找到一组可靠工作软件的参数。如果找不到合适的参数，将单色相机更换为彩色相机是明智的选择。

在彩色机器视觉应用中，白光是必要的，以重现视觉系统的真实颜色感知。要在这些应用中获得可靠的结果，了解颜色理论是很重要的，这是光学的一个特殊领域。

目前（2005年），大约只有5-10%的机器视觉应用是彩色应用。未来彩色应用的数量将会相应增加。

红外光（IR）

传统的机器视觉使用波长范围从780到1,000纳米的红外光，这是由于CCD和CMOS传感器的敏感性和常见使用。更长的波长会由专用的热成像仪进行温度测量处理。

使用红外照明意味着要考虑辐射度量值，而不是光度计量值。

然而，由于其光谱响应，红外光对传感器的效果并不是很显著。尽管如此，在某些应用中，红外光仍然被有利地使用。它对人眼不可见，不会干扰工作人员（见下文）。此外，红外光穿透图像传感器的硅基底，并且由于感应电荷产生模糊图像。其结果是图像的对比度降低。

结合日光抑制滤光片或带通滤光片，红外照明可以避免来自外部（可见）光线的干扰。另一方面，基于LED的红外照明在需要短暂（最低1微秒持续时间）和高能量闪光灯的快速应用中尤其有效。

只有使用红外光才能查看某些测试物体的细节。这样可以看到肉眼不可见的细节。特别是，颜色再现是无法复制的。

在白光中呈现白色的物体在红外光下可能会变得透明（见图3.37和3.38）。在白光下显得较暗的物体可以反射红外光并变得明亮。无法确定规则。一切都无法预测。要在红外照明下检查颜色再现，只有一个方法，那就是实验。

从物体到物体，从颜料到颜料，使用红外光照射的部件的反射和吸收特性可能会发生变化，比如：

• 油漆表面

• 印刷材料上的墨水

• 塑料材料中的彩色颜料

天然材料也与红外光相互作用。植物叶子的明亮外观是由于叶绿素对红外光透明，红外光在叶子的底部的气泡上反射所致。

注意红外光对所使用成像目标的影响。并非所有的透镜（玻璃种类）对红外光都高度透明。其中一些会减少通过的红外光。要检查这一点，可以评估目标的光谱透射率。

大多数机器视觉使用的成像目标在波长达到900纳米时，能够在没有明显强度损失的情况下传输红外光。

测试物体与光的相互作用会在测试物体边缘产生衍射。这在目标的大放大倍率下特别明显。衍射效应的大小与使用的波长成正比。红外光的波长越长，衍射效应越大。

一些有关眼部保护的信息。由于LED的巨大辐射功率，如今在使用红外光时需要考虑一些规则。预备说明：红外光的辐射强度远高于LED可以产生的，它是阳光光谱的一部分。它只能在与可见光结合时才能找到。

但是LED照明通常在相对较暗的工厂大厅中使用，这意味着人眼的虹膜是开着的。光线进入后，与可见光不同，孤立的红外光不会将虹膜关闭。因此，完整的辐射能够通过并达到视网膜。这可能会导致眼部损伤。为了所有在红外光照环境中工作的人的安全，最好只在需要的时间打开和关闭红外光照。这样，没有人会持续暴露在红外光下。

标准EN 171提供了有关眼部保护的更多信息。

紫外光（UV）

与光谱的相对一侧相反，紫外光的波长低于380纳米。过去，在紫外光照明下的机器视觉应用相对较少。光源笨重、昂贵且不灵活，相机也昂贵（专用传感器，因为常用的硅不对紫外光敏感）。然而，现在LED技术的发展使得在紫外-A光范围（典型波长370纳米，半波带宽度为10-12纳米）内制造出小型、灵活且易于控制的光源成为可能。这将激发未来的机器视觉应用。

紫外光照明有两个常见的应用类别：

• 与紫外光敏感相机结合的直接紫外光照明

• 由紫外光照明引发的荧光

使用紫外光敏感相机进行观察需要特殊的传感器。这些传感器在成像仪的前玻璃上使用荧光层，将紫外光转换为可见光（例如，Lumogen转换层将波长从190纳米到380纳米转换为可见光）。这些传感器（层）的缺点包括老化和高成本。

一些类型的测试对象在紫外光照明下会自发产生荧光。这种效应将进入物体的紫外光（短波长<380纳米）转换为物体部分的可见光发射（长波长>380纳米）。这种效应在使用紫外黑光照明的荧光颜料、洗衣粉中的增白剂或受日光照明的纸张（含有一定量的紫外光）中是众所周知的。

对于颜色再现，与IR光类似的关系也适用。只有实验能够提供有关紫外光是否适合于具体测试对象的信息。

还要注意使用与紫外光相互作用的成像目标的影响。并非所有镜头（玻璃种类）都能透过紫外光。其中一些会阻挡紫外光。要检查这一点，评估目标的光谱透射率。

然而，在使用紫外光时，务必考虑保护人眼和皮肤的措施。

偏振光

偏振的效应只能通过光的波动性质来解释。几乎所有光源都发射非偏振（自然）光（LED、白炽灯、荧光灯）。这意味着光包含绕传播方向法线的所有方向上振动的光波（参见图3.39）。只有带有布鲁斯特窗口的特殊激光器能够直接发射偏振光。

偏振仅在光滑的表面上发生。在这些表面上，可以产生偏振。偏振程度取决于材料以及光的入射角用于反射。另一方面，透射材料会改变偏振性质（测试对象、光滤波器）。

不同类型的偏振可以发生：线性、圆形、椭圆形（参见图3.39）。机器视觉通常使用两种偏振应用类型：

通过在成像目标前放置一个偏振光滤波器，利用测试对象的偏振特性进行偏振照明（参见图3.40）。使用一个偏振光滤波器在成像目标前抑制从对象反射的非偏振照明的反射。

可以通过在光源前放置一个偏振滤光器（线性、圆形或椭圆形）来实现偏振照明（参见图3.40）。这些光滤波器充当偏振器，产生偏振光（可能是白光、单色光、波长范围）。并非所有波长都可以通过商业偏振器实现偏振。对于红外光来说，这是一个问题。

离开光源后，偏振光与测试对象进行交互（透射或反射），这会改变相对于入射光的偏振特性。在相机目标前安装另一个偏振滤光器，即分析器，可以捕捉这个过程。根据这个滤光器的旋转，从测试对象传入的偏振光会被分析（参见图3.40和3.41）。

对于一些材料（如玻璃、金属、塑料等）的表面反射的去除可以通过在成像目标前仅放置一个偏振滤光器使用非偏振光来实现。测试对象的表面偏振取决于照射材料的折射率。可以使用偏振滤光器来分析它（参见图3.40(a)和图3.42）。在某些条件下（材料、光的入射/反射角度、波长），可以防止干扰性反射（参见图3.43）。

在电导材料（如光亮金属零件）的表面上会出现较小的偏振效应。此外，电导和非导电材料之间偏振效应的差异可用于抑制油膜的影响（对金属零件的防腐蚀保护），以用于机器视觉的非接触测量。