定制均匀光源系统

1、背景介绍 近年来，随着工业4.0及人工智能的发展，越来越多的自动化设备被广泛应用于生产过程中。工业4.0离不开智能制造，我国在2015年提出的“中国制造2025”宏伟计划中，第一项战略对策就是“推行数字化网络化智能化制造”，而智能制造中，最核心的一环就是机器视觉。机器视觉是指通过机器来模拟人眼的功能，对客观事物进行信息提取，处理和分析，最终实现检测和判断，最终交给计算机进行控制。中国是机器视觉产业发展最为迅速的国家，目前已经在工业，航天，医疗，交通，科研等诸多行业进行了广泛的应用。图1 机器视觉代替人眼二、目前机器视觉存在问题 典型的工业机器视觉系统包括：光源，镜头，相机，图像采集卡，软件，监视器，输入/输出等。对于光学检测来说，机器视觉系统的性能主要取决于系统中光学相关部件，比如光源，镜头，相机等的性能。此外，光学检测要求的精度一般都较高，但是大多数相机在出厂时，并没有专门针对光学检测应用进行专门校准，往往会导致机器视觉系统的精度达不到要求，结果会出现误差。 比方说，如果将刚出厂的工业相机对着一个均匀照明的发光面进行拍照，拍摄出的图像四个角往往会出现暗区，这主要是由于相机镜头的余弦响应造成的。此外，由于相机传感器（CCD/CMOS）的非均匀性，也会导致对均匀光场成像的时候，图像的亮暗，颜色不均匀，如下图所示。以上这些因素，都会导致在一些精密的光学检测（比如平板显示检测）时，检测结果和真实情况出现较大偏差。图2 校准前相机平场响应 除此之外，相机对于不同亮度的线性响应也不同。由于相机输出的信号是灰度值，并不具有真实的物理意义。因此，在做光学检测（比如说亮度检测时），需要对相机进行线性度和亮度标定，建立起相机灰度信号和真实亮度的关系曲线。三、工业相机校准解决方案 为了解决以上机器视觉系统中存在的问题，提高机器视觉系统，尤其是AOI等光学检测系统的精度，欧洲机器视觉协会EMVA提出了《EMVA1288：成像传感器和相机性能表征标准》，其中介绍了如何对成像传感器及相机的空间不均匀度，灵敏度，线性度和噪声等一些列指标进行表征和校准的办法。其中明确写到：“最好的均匀光源是积分球均匀光源”，且推荐“光源的均匀性要大于97%”。图3 蓝菲光学相机平场校正方法 用户在使用时，只需要相机对准均匀光源的开口，拍摄一张图像，再经过算法进行计算，就可以对相机的均匀性进行校正，这一过程称为平场校正。经过均匀光源校准后，相机的均匀性可以显著提高。如下图所示，为一个工业相机经过积分球均匀光源校正前后相机的均匀性测试结果。从图中可以很明显看出，校正前相机的均匀性较差，中心场的响应优于周边的响应。校正后相机平面内的响应一致。相机校正前 相机校正后图4 工业相机经过蓝菲光学LED 积分球均匀光源系统平场校正前后对比 四、完美的积分球面光源 工业相机的精度决定了机器视觉系统的检测精度，校准光源的均匀性决定了工业相机的精度。越是均匀的积分球光源，经过其校准后得到的相机均匀性越高。根据积分球的原理，入射到积分球的光在积分球内部进行多次反射，最终在输出端口得到亮度，色度都完全均匀的面光源。积分球的出光口均匀性主要取决于以下几个方面：1.积分球内壁材料的反射特性。材料的反射特性可以分为朗伯反射，镜面反射和混合反射。由积分球原理可知，积分球内壁材料反射特性越接近朗伯特性，其开口处均匀性越高。此外，当入射光是宽谱光时（比如白光），材料的光谱反射一致性决定了开口处的色度均匀性，材料的光谱反射率越一致，也就是对各个波长的反射率越一致，开口处的色度越均匀。2.积分球的设计。如何设计积分球的尺寸，入射光的位置，挡板的位置和方向，都会影响积分球开口的均匀性。 蓝菲光学积分球均匀光源Spectra-CT提供了一种超均匀，高动态范围，亮度/色温均可精细调节的面光源。该积分球光源采用蓝菲光学独有的高反射率完美朗伯反射材料Spectraflect® ，基于蓝菲光学40余年的光学系统开发经验，精细的积分球结构设计，是机器视觉相机校准的完美解决方案。其主要具有以下特点：出光面超级均匀，均匀性大于99.5%系统输出稳定性高，稳定性达0.1%亮度线性可调节，可实现从微弱光0.1cd/m2至25000cd/m2的亮度输出色温动态可调节，可实现从低色温2700K到高色温7500K的输出自带亮度监控，实时观测亮度输出情况软件实现光源和探测器的全部控制，界面简单易用，可提供控制指令供二次开发。系统还可定制各类色温，亮度，单色光，大视场角等不同参数的光源图5 蓝菲光学LED 均匀光源系统（Spectra-CT）及开口处光斑亮度分布 Spectra-CT LED积分球均匀光源是均匀性较高的面光源，其卓越的性能可以满足EMVA1288要求的相机均匀度，线性度，信噪比，动态范围等诸多参数测试。是从研发到生产，各类工业相机的理想校准光源。

LED积分球均匀光源（LED-USS） 蓝菲光学LED-USS积分球光源提供了一种超均匀，高动态范围，亮度/色温均可精细调节的面光源。该积分球光源基于蓝菲光学40年的光学系统开发经验，独有的高反射率漫反射材料，巧妙的积分球结构设计，是行业内研发测试，质量检查，生产测试的理想解决方案。图1. 通过积分球对相机校正 近年来，随着机器视觉系统的快速发展，越来越多的产线上采用基于工业相机的系统进行快速测量，引导，检测和目标识别。其中一个主要的应用是平板显示检测系统，尤其是OLED面板在消费电子的大规模使用后，对机器视觉系统提出了更高的要求。一个高精度的机器视觉系统需要高性能的光源进行校正。 LED-USS提供了满足国际相机性能测试标准EMVA-1288所需的高性能光源，能够对工业相机进行平场矫正，线性度校正，暗噪声评估等。图2. 积分球开口亮度示意图 该积分球使用蓝菲光学独有的Spectraflect® 材料，具有以下两个特点：1. 对紫外-可见-红外波段具有超高的光谱反射率，可以实现各类光谱的高流明输出。2. 近乎完美的朗伯反射特性，保证入射光在积分球内壁任何一处均匀分布。 基于以上特性，再结合蓝菲光学特殊的积分球结构设计，可以实现开口处超均匀的输出。 图3. 开口处均匀性测试结果 通过内部自带的散热装置，系统的光输出能够保证很好的稳定性。此外，通过自带高精度的亮度监控器，可以实时观测亮度输出情况。图4. LED-USS亮度输出稳定性（10分钟） LED-USS还提供易用的操作软件，能够便利的设定，调整，输出不同等级的亮度，色温。并能够实时监控系统的各项指标。图5. 控制软件界面系统特点出光面大且超级均匀系统输出稳定性高亮度可调节，可实现从微弱光到高亮度线性输出色温动态可调节自带亮度监控，实时观测亮度输出情况软件提供SDK，可与其他设备联合开发可定制大视场均匀光源可定制从紫外到红外范围内单一或多个波长的均匀光源可定制光谱仪监控光谱输出情况应用领域主要应用于各类相机的平场校正，线性度校正，暗噪声校正，动态范围校正等EMVA1288相关参数校正，在很多行业有广泛应用：平板显示检测相机校正大视场相机，360°全景相机校正各类车载摄像头校正红外相机校正成像式亮度计/色度计校正手机等各类消费电子摄像头校正规格参数 产品型号 LED-USS-030 LED-USS-050料号LCA-00283-000LCA-00284-000积分球尺寸(cm)3050开口尺寸(cm)1020积分球材料Spectraflect® Spectraflect® 亮度范围(cd/m2)*0.5~250000.1~5000亮度均匀性**99%99%调节步数5×1045×104色温范围(K)2800~75002800~7500色温均匀性±15K±15K短期稳定性±0.1%±0.1%预热时间30s30s系统监控硅探测器硅探测器控制软件 自带 自带系统尺寸(mm)510×330×490730×570×720系统重量(kg)2052外接电源100~240VAC 50/60Hz100~240VAC 50/60Hz可定制积分球尺寸/大视场/各类单波长光源/光谱仪/软件开发SDK * 亮度范围指的是某些特定色温下系统能够达到的动态范围 **亮度均匀性指的是基于NIST CoV(Coefficient of Variation)计算公式计算得到 创新点：LED-USS是目前世界均匀性最高的面光源，其卓越的性能可以满足EMVA1288要求的相机均匀度，线性度，信噪比，动态范围等诸多参数测试。是从研发到生产，各类工业相机的理想校准光源。 • 出光面超级均匀，均匀性大于99.5% • 系统输出稳定性高，稳定性达0.1% • 亮度线性可调节，可实现从微弱光0.1cd/m2至25000cd/m2的亮度输出 • 色温动态可调节，可实现从低色温2700K到高色温7500K的输出 • 自带亮度监控，实时观测亮度输出情况 • 软件实现光源和探测器的全部控制，界面简单易用，可提供控制指令供二次开发。 • 系统还可定制各类色温，亮度，单色光，大视场角等不同参数的光源 LED积分球均匀光源（LED-USS）

背景图1 卫星遥感在制造用于卫星和望远镜的传感器的过程中，最重要的步骤之一是表征传感器的辐射性能，并建立到达传感器的光与传感器的数值输出之间的关系。 某国家航天局需要一套积分球均匀光源系统，用于在大型传感器的开发中进行校准测试。 开口尺寸需要1.5 米才能使发光面完全覆盖整个设备。另外还要求控制外部温度，确保可靠的长期使用。图2 成像传感器Labsphere（蓝菲光学）解决方案图3 蓝菲光学研发的大孔径积分球均匀光源图4 最大的辐亮度为此开发的系统需要大的积分球，获得超大开口端和总共 37 个灯以实现测试所需的均匀性和光谱辐射。Labsphere（蓝菲光学） 善于定制产品的开发，该系统具有以下独特功能：通过两个侧面安装的电动活塞自动调节高度；稳定性好，具有调平千斤顶工业脚轮；包含软件和硬件的完全集成的计算机系统；可控制灯产生的热量：开口周围的定制散热器，用于吸收大部分热量开口处的手动百叶窗，用于保护用户和设备免受测试后过热的影响后半球隔热罩，防止意外伤害三个温度探头来监测积分球内部的热量三个外部鼓风机连接到积分球周围的通风口具有带宽和 FOV 滤光片的可拆卸硅探测器；具有热电冷却功能的可拆卸 InGaAs 探测器；更新了具有附加功能的 HELIOSense 软件。特点先进的热重定向系统，可防止组件和材料损坏并保护用户免受意外伤害；高度可调和开口端缩孔器，可以灵活地对各种不同的传感器系统进行测试；具有针对客户应用程序优化的软件，最大限度地提高效率和可用性；可控制和获得宽光谱，通过 Labsphere（蓝菲光学） 的 HELIOSense 软件微调光谱辐射、色温和波长分布；满足所有光谱要求， 97% 以上的均匀性提供覆盖可见光和红外带内辐射度；照度 (lux)176,737光谱辐射度(W/m2-sr)1,605面均匀性 (100% Power)97.32%面均匀性(10% Power)95.08%角度均匀性 (±10°)99.5%角度均匀性 (±45°)99.2%短期(5s) 稳定性99.995%长期(30s) 稳定性99.994%硅探测器非线性度0.42%InGaAs 探测器非线性度0.37%最高外部温度39.5°C总灯功率17,680W