Kluczowy parametr charakteryzujący oświetlenie w systemach wizyjnych stanowi długość fali. Na tej podstawie rozróżnia się światło białe i monochromatyczne (w praktyce quasi-monochromatyczne). To drugie to promieniowanie elektromagnetyczne o określonej długości fali (w rzeczywistości o długości fali w bardzo wąskim przedziale), czyli w jednym kolorze. Światło białe z kolei obejmuje wszystkie długości fal w zakresie widzialnym, czyli w przedziale 380‒780 nm. Jeżeli wymaga tego specyfika zadania, w systemach wizyjnych są też wykorzystywane podczerwień i ultrafiolet, o długościach fal odpowiednio dłuższych i krótszych niż światło białe.
Światło białe czy monochromatyczne?
Wybierając między światłem białym a monochromatycznym, trzeba pamiętać, że to drugie wymaga prostszego układu optycznego. Zwiększa to ogólną stabilność i niezawodność systemu. Z drugiej strony, optyka zoptymalizowana w szerokim zakresie długości fal, jak w przypadku światła białego, sprawdzi się również przy świetle monochromatycznym – o ile długość jego fali mieścić się będzie w przedziale, dla którego zaprojektowano dany układ optyczny.
Złożoność optyki, która przekłada się na koszt systemu, jest ważnym kryterium, ale poza tym pod uwagę należy też wziąć: właściwości obiektu inspekcji, który dla niektórych długości fal może być przezroczysty albo mieć odblaskową powierzchnię, oraz wymaganą rozdzielczość (im krótsza długość fali, tym teoretycznie większa rozdzielczość). Trzeba także pamiętać, że stopień załamania światła jest odwrotnie proporcjonalny do długości fali światła. To oznacza, że np. światło fioletowe jest na to zjawisko podatniejsze niż czerwone.
Jaka długość fali będzie najlepsza?
Niektóre zastosowania mogą wymagać użycia światła monochromatycznego o określonej długości fali. Przykładem jest sytuacja, w której na rejestrowanym obrazie należy bardziej uwidocznić cechę obiektu rozróżnianą na podstawie konkretnego koloru. Oświetlenie przedmiotu światłem o długości fali odpowiadającej owej barwie cechę tę wyeksponuje i odwrotnie – użycie światła w kolorze przeciwstawnym przyciemni szczegóły nieistotne. Przykładowo, zielone światło rozjaśni elementy obiektu w kolorze zielonym, natomiast światło o barwie czerwonej spowoduje, że zielone elementy będą na obrazie zarejestrowanym przez kamerę wyglądały na ciemniejsze.
Niektóre długości fal również lepiej niż inne sprawdzają się w detekcji konkretnych defektów. Przykładowo, światło o barwie niebieskiej jest zalecane w wykrywaniu zarysowań i inspekcji oznaczeń nanoszonych np. laserowo.
Promieniowanie podczerwone z kolei, ze względu na swoje właściwości penetracyjne, pozwala na prześwietlanie obiektu inspekcji. Jego wnikanie ogranicza odblaski. Ponadto światło podczerwone zmniejsza kontrast oparty na różnicy kolorów. Podczerwień w inspekcji wizyjnej jest zalecana m.in. w kontroli poziomu napełnienia opakowań, ograniczaniu efektu koloru na monochromatycznych obrazach i usuwaniu tła w celu wyizolowania symboli analizowanych później w oprogramowaniu do rozpoznawaniu znaków.
Źródła światła
Popularne źródła światła to: żarówki, świetlówki, diody LED. Pierwsze dwa emitują światło białe, o różnych temperaturach barwowych. LED-y są z kolei źródłem światła quasi monochromatycznego, o kolorze zależnym od typu półprzewodnika. Aby uzyskać światło białe, konieczne są dodatkowe rozwiązania. Przykładowo, w jednej obudowie umieszcza się diody emitujące światło czerwone, zielone oraz niebieskie, przez zmieszanie których uzyskuje się światło białe. Drugim sposobem jest wykorzystanie luminoforu, wzbudzanego przez światło emitowane przez diodę.
Obecnie w systemach wizyjnych wykorzystuje się głównie LED-y. Wynika to z ich licznych zalet w porównaniu z żarówkami i świetlówkami. Są to przede wszystkim: znacząco mniejsze zużycie energii, dłuższa żywotność, większa odporność na trudne warunki, elastyczność w realizacji różnych konfiguracji oświetlenia, łatwość uzyskania efektu stroboskopowego. Ten ostatni wykorzystuje się w celu ograniczenia wpływu oświetlenia z otoczenia oraz umożliwienia inspekcji bardzo szybko przemieszczających się obiektów poprzez wywołanie wrażenia ich bezruchu.
Oświetlać czy podświetlać?
Kolejną kwestią jest sposób oświetlenia obiektu. Decydujące znaczenie przy jego wyborze ma cel inspekcji wizyjnej. Generalnie można wyróżnić dwa przypadki.
Jeżeli chcemy zbadać powierzchnię przedmiotu pod kątem występowania defektów lub określonych cech, zalecane jest jej oświetlenie "z przodu", czyli od strony kamery. Wybór kąta padania światła i decyzja o tym, czy np. potrzebne jest światło rozproszone, są uwarunkowane konkretnymi cechami badanej powierzchni.
Jeżeli natomiast chcemy zwymiarować obiekt, np. mierząc jego średnicę albo długość, lub musimy zlokalizować otwór przelotowy, najlepszym wyborem będzie zastosowanie podświetlenia. Wówczas – ponieważ obiekt blokuje światło w drodze do kamery – uzyskuje się maksymalny kontrast na jego krawędziach.
Czasem, np. w przypadku inspekcji wizyjnej obiektów przezroczystych, wybór między tymi dwoma technikami nie jest już tak oczywisty. Wówczas wymagane może być podejście hybrydowe.
Pole jasne...
Należy też określić kąt, pod jakim światło ma padać na powierzchnię przedmiotu. W tym zakresie można wybierać między dwoma technikami: oświetleniem/podświetleniem w polu jasnym albo w polu ciemnym. W pierwszym przypadku kąt padania światła mieści się w przedziale 90°‒45° od poziomu (czyli względem oświetlanej powierzchni), a w drugim między 0° a 45°.
W uproszczeniu zatem pierwsza metoda polega na skierowaniu światła na obiekt "z góry", a druga – "z boku". Generalnie technika pola jasnego jest popularniejsza. Metodę pola ciemnego z kolei zaleca się w inspekcji np. powierzchni odblaskowych i krawędzi.
W razie oświetlenia obiektu w polu jasnym czujnik obrazu rejestruje światło odbite od powierzchni poddawanej inspekcji. W związku z tym wszelkie niepłaskie cechy i defekty, jak zarysowania, na których światło ulega rozproszeniu, są widoczne jako ciemniejsze na jasnym tle. W konfiguracji tego rodzaju wykorzystuje się np. linijki i pierścienie LED, ze światłem bezpośrednim albo rozproszonym, aby uniknąć nierównomiernego oświetlenia powierzchni odblaskowych.
...i pole ciemne
W przypadku oświetlenia obiektu w polu ciemnym czujnik obrazu rejestruje światło rozproszone. W efekcie wszelkie wypukłości są widoczne jako jaśniejsze na ciemnym tle. Do oświetlania z boku również wykorzystuje się pierścienie LED, z diodami ustawionymi pod odpowiednim kątem.
Z kolei w razie podświetlenia w polu jasnym światło jest przez przedmiot inspekcji blokowane albo przez niego prześwituje, jeżeli jest przezroczysty. W pierwszym przypadku zarejestrowany zostanie obraz wypełnionych na czarno konturów obiektu na białym tle, natomiast w drugim jako ciemne będą widoczne wypukłe cechy przezroczystego przedmiotu. Przykładem są wtrącenia pęcherzyków powietrza w tworzywie sztucznym. W przypadku podświetlenia w polu ciemnym do sensora obrazu dociera tylko światło, które przenikając przedmiot, ulega rozproszeniu na jego niepłaskich cechach. Te są widoczne jako jaśniejsze na ciemnym tle.
Oświetlacze współosiowe, kopułkowe, strukturalne
W konfiguracji współosiowej światło pada prostopadłe do płaszczyzny obiektu. Jego wiązka może być dodatkowo skolimowana. W przypadku zastosowania takiego oświetlenia wszelkie wypukłości na powierzchni przedmiotu będą na jego obrazie widoczne jako ciemniejsze. Jest ono w związku z tym zalecane m.in. w detekcji zarysowań i innych defektów.
Oświetlacze kopułkowe (ze światłem rozproszonym) sprawdzają się w inspekcji wizyjnej obiektów o złożonych kształtach i o silnie odblaskowej powierzchni. W takiej konfiguracji światło pada na przedmiot pod różnymi kątami. Unika się dzięki temu odbić.
W przypadku oświetlenia strukturalnego, na obiekt rzutowany jest z kolei wzór świetlny w postaci np. serii linii, siatki, chmury kropek. Wówczas, analizując stopień deformacji jego obrazu rejestrowanego przez kamerę w porównaniu ze wzorem oryginalnym, można zrekonstruować kształt przedmiotu. Oświetlenie strukturalne jest także m.in. przydatne w rozróżnianiu elementów obiektów w tym samym kolorze. Przykładowo, obraz serii linii świetlnych wyświetlonych na czarnej tubie będzie inny w przypadku obecności czarnego pierścienia uszczelniającego i bez niego.
Podsumowanie
Niewłaściwe oświetlenie powoduje utratę informacji, których w większości przypadków nie można już później odzyskać w oprogramowaniu systemu wizyjnego. Dlatego powinno się je dobierać tak, aby przedmiot inspekcji wyraźnie odróżniał się od tła i aby uzyskać maksymalny kontrast między jego cechami, które mają być zmierzone lub sprawdzone, a tymi, które należy zignorować. Wymaga to zestawienia cech obiektu (kształt płaski, zakrzywiony, tekstura powierzchni gładka, chropowata, przezroczystość, przedmiot w ruchu, nieruchomy) i warunków stanowiska pomiarowego (dostępna przestrzeń, stanowiska sąsiednie) ze specyfiką źródła światła i układu oświetlacza. Ważne jest, aby źródło światła było stabilne i zapewniało równomierne oświetlenie. Oprócz tego rzeczywiste kolory obiektu powinny zostać jak najwierniej odwzorowane na jego obrazie. Trzeba też zminimalizować wpływ światła z otoczenia (słonecznego, oświetlenia w hali) i innych czynników, takich jak wibracje, które są przenoszone z sąsiednich stanowisk.
Monika Jaworowska
