Oświetlenie w systemach wizyjnych - podstawy

Podstawowymi elementami automatyki przemysłowej, które kojarzą się z systemami wizyjnymi są kamery i wydaje komputery przemysłowe lub sterowniki PAC, przetwarzające rejestrowane obrazy. To właśnie te podzespoły są najczęściej promowane przez producentów urządzeń do systemów wizyjnych i nie ma się co temu dziwić – są to również najdroższe elementy. Jednakże sukces aplikacji wizyjnej tak naprawdę zależy przede wszystkim od poprawnego doboru podsystemu oświetlenia, który decyduje, czy monitorowane obiekty są dobrze widzialne. Niestety, dopasowanie źródeł światła i ich ustawienia nie jest łatwe i wymaga zaawansowanej, specjalistycznej wiedzy.

Podstawowe cechy systemu wizyjnego

Dobre oświetlenie powinno pozwalać na utrzymanie jednorodnych, stabilnych i powtarzalnych warunków do rejestracji obrazu, dzięki czemu raz wprowadzone algorytmy i ustawienia mogłyby się tak samo dobrze sprawdzać przez cały czas funkcjonowania aplikacji. Źródło oświetlenia musi więc emitować światło o odpowiednim spektrum barw i polaryzacji, być poprawnie ustawione, padać bezpośrednio lub po odbiciu i być wystarczająco mocne. Jedynie w przypadku, gdy inspekcja obejmuje elementy fluorescencyjne lub inne, świecące samodzielnie, wtedy zastosowanie zewnętrznego oświetlenia może nie być konieczne.

Najbardziej wymagającymi aplikacjami są natomiast sytuacje, gdy konieczna jest inspekcja obiektów, wykonanych z jednorodnego materiału albo przeźroczystych. Najtrudniejszym przypadkiem mogą być choćby szklane elementy z wygrawerowanymi napisami, zlokalizowanymi na wewnętrznych powierzchniach tych przedmiotów. Poprawna realizacja tego zadania będzie możliwa tylko i wyłącznie, gdy zastosuje się odpowiednie oświetlenie.

Przy doborze oświetlenia należy też wziąć pod uwagę parametry kamery – jej rozdzielczość, czułość, zakres rejestrowanych fal, czy nawet rodzaj sensora. Kamery z czujnikami CCD mają nieco inną charakterystykę od kamer CMOS.

Źródło światła

Wybór źródeł światła jest bardzo duży i z czasem się powiększa. Obecnie jednym z najbardziej popularnych jest oświetlenie LED-owe, które jest nie tylko energooszczędne i zajmuje małą przestrzeń, ale też ze względu na możliwość dosyć swobodnego i precyzyjnego doboru zakresu emitowanych fal. Popularną alternatywą jest oświetlenie lampami fluorescencyjnymi lub halogenowymi, które pozwalają emitować silne światło na dużym obszarze. Zastosowanie znajdują też lampy metalohalogenkowe, czasem żarowe, a nawet lasery.

Rozwój technologii LED sprawił, że to one są teraz najczęściej wybieranymi źródłami światła w systemach wizyjnych. Oprócz wspomnianych już zalet, cechują się też długą żywotnością, prostym sterowaniem, dobrą wytrzymałością mechaniczną, szerokimi możliwościami kształtowania lamp LED-owych (np. w pierścienie), a także są bardzo tanie.

Doprowadzenie światła

Światło emitowane przez źródło może padać na obserwowany obiekt bezpośrednio lub po odbiciach. Ciekawym przykładem jest zastosowanie światłowodu do doprowadzenia światła do obiekty, co jest przydatne, w sytuacji gdy obudowa lampy wraz z okablowaniem nie zmieściłaby się w pobliżu oświetlanego fragmentu elementu.

Kąt padania światła też ma znacznie. Istnieje kilka technik ustawienia oświetlenia. Podstawową jest umieszczenie źródła światła bezpośrednio przed obserwowanym obiektem, tak by promienie światła odbijały się pod kątem 180°, czyli równolegle do osi optycznej. Pozwala to wykryć ewentualne niedoskonałości i rysy na powierzchni obserwowanego elementu.

Wprowadzenie elementu rozpraszającego światło zaraz po tym, jak opuści ono źródło, znacząco ogranicza możliwość wykrywania niedoskonałości powierzchni elementu, ale ułatwia znalezienie jego krawędzi. Sprawia, że obiekt bardziej się wyróżnia na swoim tle.

Przestawienie źródła światła tak, by padało pod kątem tylko na część interesującego nas obiektu pozwala lepiej odróżnić bardziej wystające, elementy – i jeśli założony zostanie filtr rozpraszający światło, wtedy nie powstają niepotrzebne cienie. Zdjęcie tego filtra pozwala natomiast wyróżnić krawędzie i cienkie elementy wystając, co zdecydowanie ułatwia ich zliczanie.

Niekiedy stosowane jest też podświetlenie z tylu obiektu, dzięki czemu można wykrywać otwory lub – w przypadku przedmiotów półprzeźroczystych, nawet nierównomierną gęstość lub grubość materiału, z którego wykonany jest przedmiot.

Specyficzną sytuacją jest zastosowanie lasera, które ze względu na bardzo małą grubość wiązki emitowanego światła pozwala dosyć dokładnie mierzyć nierówności na powierzchni obiektu podlegającego inspekcji. Konieczna jest jedynie znajomość kątów ustawienia kamery i lasera względem interesującej nas powierzchni. Precyzyjna wiązka laserowa w postaci paska umożliwia prowadzenie bardzo zaawansowanych inspekcji i pomiarów.

Barwa

Bardzo dobre rezultaty można uzyskać odpowiednio dobierając barwę emitowanego światła. Stosowanie światła białego często nie ma większego sensu, gdyż najczęściej da się znaleźć inną długość fali, która pozwoli precyzyjnie odróżnić interesujące nas elementy od tła. Co więcej, białe diody LED są mniej skuteczne niż monochromatyczne, a do tego droższe w zakupie. Jedynym problemem może być czułość kamery, ale w praktyce znalezienie odpowiedniej nie jest trudnością.