作者：曾旭博士
一、背景介紹
近年來，隨著工業4.0及人工智能的發展，越來越多的自動化設備被廣泛應用于生產過程中。工業4.0離不開智能制造，我國在2015年提出的“中國制造2025”宏偉計劃中，第一項戰略對策就是“推行數字化網絡化智能化制造”，而智能制造中，最核心的一環就是機器視覺。機器視覺是指通過機器來模擬人眼的功能，對客觀事物進行信息提取，處理和分析，最終實現檢測和判斷，最終交給計算機進行控制。中國是機器視覺產業發展最為迅速的國家，目前已經在工業，航天，醫療，交通，科研等諸多行業進行了廣泛的應用。
圖1 機器視覺代替人眼
二、目前機器視覺存在問題
典型的工業機器視覺系統包括：光源，鏡頭，相機，圖像采集卡，軟件，監視器，輸入/輸出等。對于光學檢測來說，機器視覺系統的性能主要取決于系統中光學相關部件，比如光源，鏡頭，相機等的性能。此外，光學檢測要求的精度一般都較高，但是大多數相機在出廠時，并沒有專門針對光學檢測應用進行專門校準，往往會導致機器視覺系統的精度達不到要求，結果會出現誤差。
比方說，如果將剛出廠的工業相機對著一個均勻照明的發光面進行拍照，拍攝出的圖像四個角往往會出現暗區，這主要是由于相機鏡頭的余弦響應造成的。此外，由于相機傳感器（CCD/CMOS）的非均勻性，也會導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，都會導致在一些精密的光學檢測（比如平板顯示檢測）時，檢測結果和真實情況出現較大偏差。
圖2 校準前相機平場響應
除此之外，相機對于不同亮度的線性響應也不同。由于相機輸出的信號是灰度值，并不具有真實的物理意義。因此，在做光學檢測（比如說亮度檢測時），需要對相機進行線性度和亮度標定，建立起相機灰度信號和真實亮度的關系曲線。
三、工業相機校準解決方案
為了解決以上機器視覺系統中存在的問題，提高機器視覺系統，尤其是AOI等光學檢測系統的精度，歐洲機器視覺協會EMVA提出了《EMVA1288：成像傳感器和相機性能表征標準》，其中介紹了如何對成像傳感器及相機的空間不均勻度，靈敏度，線性度和噪聲等一些列指標進行表征和校準的辦法。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 藍菲光學相機平場校正方法
用戶在使用時，只需要相機對準均勻光源的開口，拍攝一張圖像，再經過算法進行計算，就可以對相機的均勻性進行校正，這一過程稱為平場校正。經過均勻光源校準后，相機的均勻性可以顯著提高。如下圖所示，為一個工業相機經過積分球均勻光源校正前后相機的均勻性測試結果。從圖中可以很明顯看出，校正前相機的均勻性較差，中心場的響應優于周邊的響應。校正后相機平面內的響應一致。
相機校正前
相機校正后
圖4 工業相機經過藍菲光學LED 均勻光源系統平場校正前后對比
四、完美的積分球面光源
工業相機的精度決定了機器視覺系統的檢測精度，校準光源的均勻性決定了工業相機的精度。越是均勻的積分球光源，經過其校準后得到的相機均勻性越高。根據積分球的原理，入射到積分球的光在積分球內部進行多次反射，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. 積分球的設計。如何設計積分球的尺寸，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。
藍菲光學積分球均勻光源LED-USS提供了一種超均勻，高動態范圍，亮度/色溫均可精細調節的面光源。該積分球光源采用藍菲光學獨有的高反射率完美朗伯反射材料Spectraflect，基于藍菲光學40余年的光學系統開發經驗，精細的積分球結構設計，是機器視覺相機校準的完美解決方案。其主要具有以下特點：
· 出光面超級均勻，均勻性大于99.5%
· 系統輸出穩定性高，穩定性達0.1%
· 亮度線性可調節，可實現從微弱光0.1cd/m2至25000cd/m2的亮度輸出
· 色溫動態可調節，可實現從低色溫2700K到高色溫7500K的輸出
· 自帶亮度監控，實時觀測亮度輸出情況
· 軟件實現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。
· 系統還可定制各類色溫，亮度，單色光，大視場角等不同參數的光源
圖5 藍菲光學LED 均勻光源系統（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要求的相機均勻度，線性度，信噪比，動態范圍等諸多參數測試。是從研發到生產，各類工業相機的理想校準光源。
