機器視覺成像傳感器和相機中相機均勻度，線性度，信噪比，動態范圍等諸多參數檢測方案(光源)
- 應用領域： 電子/電氣/通訊/半導體
- 檢測樣品： 電子元器件
- 檢測項目：相機均勻度，線性度，信噪比，動態范圍等諸多參數
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- 發布時間：2019-11-18
- 參考標准：EMVA1288
藍菲光學推出超均勻面光源助力機器視覺相機校准
一、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。對於光學檢測來說，機器視覺系統的性能主要取決於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，並沒有專門針對光學檢測應用進行專門校准，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着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，這主要是由於相機鏡頭的余弦響應造成的。此外，由於相機傳感器（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 校准前相機平場響應
除此之外，相機對於不同亮度的線性響應也不同。由於相機輸出的信號是灰度值，並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。
二、工業相機校准解決方案
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准》，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准的辦法。其中明確寫到：“最好的均勻光源是積分球均勻光源”，且推薦“光源的均勻性要大於97%”。
圖3 藍菲光學相機平場校正方法
用戶在使用時，只需要相機對准均勻光源的開口，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。經過均勻光源校准后，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，中心場的響應優於周邊的響應。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，校准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，經過其校准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於以下幾個方面：
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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。
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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®，基於藍菲光學40余年的光學系統開發經驗，精細的積分球結構設計，是機器視覺相機校准的完美解決方案。其主要具有以下特點：
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出光面超級均勻，均勻性大於99.5%
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系統輸出穩定性高，穩定性達0.1%
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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
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色溫動態可調節，可實現從低色溫2700K到高色溫7500K的輸出
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自帶亮度監控，實時觀測亮度輸出情況
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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。
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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准光源。
LED積分球均勻光源（Spectra-CT）
藍菲光學Spectra-CT 積分球光源提供了一種超均勻，高動態范圍，亮度/色溫均可精細調節的面光源。該積分球光源基於藍菲光學40年的光學系統開發經驗，獨有的高反射率漫反射材料，巧妙的積分球結構設計，是行業內研發測試，質量檢查，生產測試的理想解決方案。
圖1. 通過積分球對相機校正
近年來，隨着機器視覺系統的快速發展，越來越多的產線上采用基於工業相機的系統進行快速測量，引導，檢測和目標識別。其中一個主要的應用是平板顯示檢測系統，尤其是OLED面板在消費電子的大規模使用后，對機器視覺系統提出了更高的要求。一個高精度的機器視覺系統需要高性能的光源進行校正。
Spectra-CT LED積分球均勻光源提供了滿足國際相機性能測試標准EMVA-1288所需的高性能光源，能夠對工業相機進行平場矯正，線性度校正，暗噪聲評估等。
圖2. 積分球開口亮度示意圖
該積分球使用藍菲光學獨有的Spectraflect®材料，具有以下兩個特點：
1. 對紫外-可見-紅外波段具有超高的光譜反射率，可以實現各類光譜的高流明輸出。
2. 近乎完美的朗伯反射特性，保證入射光在積分球內壁任何一處均勻分布。
基於以上特性，再結合藍菲光學特殊的積分球結構設計，可以實現開口處超均勻的輸出。
圖3. 開口處均勻性測試結果
通過內部自帶的散熱裝置，系統的光輸出能夠保證很好的穩定性。此外，通過自帶高精度的亮度監控器，可以實時觀測亮度輸出情況。
