遠心照明 - 機器視覺應用不可或缺的技術
遠心照明 - 機器視覺應用不可或缺的技術
成像和檢測專案需要採用精密光學元件和對準，以實現最佳效能。機器視覺檢測應用採用成像鏡頭、照明光源、相機和機械部件等關鍵元件。成像鏡頭和相機的選擇是應用獲得成功的重要因素；但照明同樣也很重要。遠心照明是最為精確的照明幾何形狀類型之一。何謂遠心照明？相較於背光照明，遠心照明如何幫助產生更好的結果？要解答這些問題，需考慮照明理論、優點以及現實生活的檢測應用。
遠心照明理論
在光學領域中，遠心度是多鏡片設計下的獨特光學特性，這類設計將主光線準直化，並平行於圖像及/或物體空間的光軸（圖 1）。遠心度的關鍵特徵之一，就是不論圖像及/或物體的位置為何，都提供恆定的放大倍率。遠心度分為三類：物空間、圖空間和此二者。如需其他資訊及定義，請參閱遠心度的優勢。
圖1: 主要光線與光軸平行的遠心度範例
在照明領域中，也適用主光線準直化並平行於光軸的概念。這就是所謂的遠心照明燈，有時稱之為準直背光。像是 TECHSPEC® 遠心背光照明燈等遠心照明燈，使用光學元件經由光纖光導管或 LED 將光線導向至受測物體，從而產生高對比度的剪影。遠心照明燈可降低物體的漫反射，提高邊緣對比度和測量準確度。準直光線從照明燈射出，照射到物體表面時仍保持平行（圖 2a）。相比之下，從標準背光源發出的光線則會放大和相互干擾，最終形成漫反射（圖 2b）。如需說明範例，請參閱成像實驗室模組 2.2：遠心度。
圖2a: 遠心照明燈射出的準直光線
圖2b: 標準背光產生的漫反射
遠心照明如何產生高對比度的輪廓?
遠心照明燈的工作原理，是藉由高品質光學玻璃鏡頭，使光纖光導管或 LED 射燈的光線保持準直。從光源射出的發散光線進入多鏡片模組後變成平行，並以高度集中的型態射出。幾乎所有進入遠心照明燈的光線（忽略後向反射和各個光學鏡頭的光線吸收）都會照射到受測物體。此外，許多遠心照明燈都配備光圈，可控制供應照明的強度。
遠心照明的秘訣為何？
標準遠心成像鏡頭搭配 LED 圖案投射燈和分劃板，即可作為遠心照明燈使用。如同一般的遠心照明燈，通過遠心成像鏡頭的光線會平行化，在呈現物體剪影時消除漫反射。但與遠心照明燈不同的是，使用遠心成像鏡頭時，可能會偵測到 LED 投射燈的瑕疵。
遠心照明的優點與缺點 :
遠心照明是精確量測應用的理想之選，在這種應用中，準確性、可重複性和光通量對成功量測至關重要。為了產生最佳結果，請考慮遠心照明的以下八大優勢：
1. 優異的微小缺陷偵測能力
2. 相較於標準背光照明，測量準確性和可重複性更高
3. 消除了漫反射導致的模糊邊緣
4. 提高了平行光線的光強度
5. 透過消除模糊邊緣和提高光強度產生高對比圖像
6. 透過提高光強度來縮短相機曝光時間
7. 相較於標準背光照明，系統速度更快、光通量更大
8. 物體和照明光源間距增大
但遠心照明光源可能也有一些缺點，例如佔用空間大，以及有時建置成本會較高。要檢測物體越大，所需的遠心照明光源就越大。對於需要節省空間和成本的應用，平行背光可能是一個更好的選擇。平行背光源是一種標準背光源，利用整合薄膜使光線保持平行。儘管效能不如遠心照明光源，但平行背光源產生的漫反射低於標準背光源，因此能消除漫反射產生的一些模糊邊緣。
應用範例
首先，我們必須瞭解遠心照明的理論架構。接下來分析這項精密照明幾何技術的實際應用，以瞭解機器視覺應用為何需要使用這項技術。遠心照明有利於多種應用，包括高速成像、工廠自動化、形成剪影、偵測缺陷和邊緣等。
其中一則範例是量測和檢測不銹鋼柱中的螺紋直徑。由於檢測的物體體積細小 (10mm) 以及需要量測螺距，因此會妨礙視覺分類。該應用最初採用的系統包括一個標準 LED 背光，它位於 640 x 480 像素 CCD相機上的 0.6X TECHSPEC® SilverTL™ 遠心鏡頭 (#56-675) 的前方。揀貨機器人將零件從生產轉盤移至視覺系統以進行影像擷取。然後，另外一個機器手臂利用從圖像採集中收集的資訊，拾取零件到合格或不合格產品收集桶。
儘管設計精巧，但標準背光系統無法檢測小於 10mm 的零件，且檢測限值為 10ppm，而新生產流程要求達到 40ppm。此外，發散的 LED 背光源產生的光強度低，需要長達 2.5 毫秒的曝光時間；然而新生產線速度只允許在 800 微秒內擷取到清晰圖像。一個簡單的解決方法是提高相機增益設定，以縮短曝光時間。但這會增大系統訊噪比，導致量測準確度下降。
圖 3：遠心照明系統在立桿上成像螺紋直徑(左)，標準背光系統在立桿上成像相同直徑的螺紋(右)。
正確的選擇是顯而易見的——遠心照明！將發散的 LED 背光源替換為 TECHSPEC® 遠心背光照明燈 (#62-760)，照射到螺紋上的光強度就會增大，同時減小漫反射，縮短相機曝光時間並提高圖像整體對比度。圖 3a – 3b 比較遠心照明系統與標準背光系統。請注意在微幅修改後，機械設置變得近乎相同。圖中顯示了遠心照明系統和標準背光系統的對比度值。電位阱越寬，對比度越大，因而產生較高的測量準確度。
圖 4：左圖為遠心照明系統產生的清晰邊緣輪廓。右圖為標準背光系統產生的模糊邊緣。
在原始設置中，背光源產生的漫反射會產生模糊邊緣。替換為遠心照明燈之後，邊緣就會變得清晰，而且易於確定是否通過檢測（圖 4a – 4b）。此外，使用標準背光源時幾乎看不到螺紋一側的毛邊，而遠心照明燈就可以輕鬆偵測和量測到這種毛邊。圖 5a – 5b 從技術觀點顯示出遠心照明燈系統和標準背光系統的對比值。圖 5a 的高低灰階分佈比較寬，代表對比度更大，可產生較高的測量準確度。 的高低灰階分佈比較寬，代表對比度更大，可產生較高的測量準確度。
圖5a: 使用遠心照明燈系統達到高對比度
圖5b: 使用標準背光系統的對比度
遠心照明有利於高速成像、工廠自動化、顯示輪廓以及缺陷和邊緣偵測等機器視覺應用。與標準背光源不同的是，採用遠心照明可以產生清晰的輪廓，特別適合偵測邊緣和缺陷。遠心照明的這些優勢，對需要高對比無模糊邊緣圖像的應用以及高速自動化應用來說至關重要。
使用的元件：
• 56-675 (0.16X SilverTL)
• 62-760 (52mm Telecentric Backlight Illuminator)
• 87-544 (Red, LED Spot Light)
• 56-871 (Mounting Clamp)
• 58-867 (Kinematic Table)
• Family 2868 (English Stainless Steel Mounting Posts)
• Family 1475 (Dovetail Optical Rail Systems)
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參考資料
1. Butkus, Bruce. "Telecentric Illumination for Vision-System Backlighting." Machine Design. June 2, 2009. Accessed January 12, 2012. http://machinedesign.com/archive/telecentric-illumination-vision-system-backlighting.
2. https://www.edmundoptics.com.tw/knowledge-center/application-notes/imaging/telecentric-illumination-why-you-need-it-in-machine-vision-applications/