機(ji)器視覺照明控制的重要(yao)性

適(shi)當的照明對項目的成敗至關重(zhong)要

當工程師開始(shi)搭(da)建(jian)新(xin)的(de)機器(qi)視覺系統時，他(ta)們通常(chang)會非常(chang)仔(zi)細地考慮運(yun)動速(su)度、光(guang)學和圖(tu)像處理(li)軟件(jian)(jian)。照(zhao)明(ming)通常(chang)是(shi)(shi)下一(yi)個需(xu)要考慮的(de)問題，因為合適的(de)照(zhao)明(ming)可以顯(xian)著減(jian)少軟件(jian)(jian)開發(fa)時間，甚至對項目的(de)成(cheng)功(gong)或失敗至關重要。照(zhao)明(ming)的(de)目的(de)是(shi)(shi)在視場上投射(she)一(yi)個均勻的(de)照(zhao)明(ming)區域(yu)，以便獲(huo)得清晰的(de)圖(tu)像，并可以從背景中分離(li)出所需(xu)的(de)特征。

機器視覺照明控制的類型

大(da)多數機器視(shi)覺系統的(de)光(guang)源(yuan)(yuan)常使用以下三種驅動(dong)：恒壓(ya)驅動(dong)、帶(dai)脈寬(kuan)調制（PWM）的(de)電(dian)壓(ya)驅動(dong)或恒流驅動(dong)。最早的(de)光(guang)源(yuan)(yuan)照明控(kong)制器是(shi)電(dian)壓(ya)驅動(dong)，這種技(ji)術(shu)在普(pu)通的(de)應用中是(shi)足夠的(de)。然而，用電(dian)壓(ya)驅動(dong)光(guang)源(yuan)(yuan)會(hui)有(you)顯著的(de)缺(que)點:光(guang)源(yuan)(yuan)的(de)電(dian)源(yuan)(yuan)電(dian)壓(ya)是(shi)恒定的(de)，需(xu)要(yao)通過電(dian)流來決定所(suo)獲得的(de)亮度，而不是(shi)電(dian)壓(ya)。由于光(guang)源(yuan)(yuan)在使用過程中溫度會(hui)發生(sheng)變化，相同的(de)電(dian)壓(ya)也會(hui)產生(sheng)不同的(de)亮度。

圖1展示了典型光(guang)源的(de)(de)照(zhao)度(du)和(he)正向電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)之間的(de)(de)線性(xing)關系。它(ta)表明正向電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)和(he)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)之間的(de)(de)關系是非常非線性(xing)的(de)(de)，電(dian)(dian)(dian)源電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)的(de)(de)一個(ge)微小變(bian)化(hua)(hua)就會(hui)引(yin)起電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)大(da)變(bian)化(hua)(hua)，從而造(zao)成(cheng)亮度(du)的(de)(de)大(da)變(bian)化(hua)(hua)。這種效應意味著電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)驅動(dong)不能在照(zhao)明強度(du)上(shang)實現精確和(he)準確的(de)(de)調節。電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)驅動(dong)器(qi)也容易受到系統供(gong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)的(de)(de)小波動(dong)，這可能導致照(zhao)明水平發生顯著變(bian)化(hua)(hua)。

盡管有電(dian)壓(ya)驅(qu)(qu)動(dong)的(de)(de)(de)局限(xian)性，一(yi)(yi)些照(zhao)明控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)利用這種類型的(de)(de)(de)電(dian)源來節省成本。由于電(dian)壓(ya)驅(qu)(qu)動(dong)不能直接控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)照(zhao)明亮度，因(yin)此可(ke)以采用脈寬調制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)（PWM）代替。PWM在每(mei)次曝(pu)光時(shi)(shi)開關幾次，以獲得平(ping)均亮度。PWM脈沖由內部(bu)時(shi)(shi)鐘(zhong)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)，為了獲得對亮度的(de)(de)(de)精確控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)，需要一(yi)(yi)個更快的(de)(de)(de)內部(bu)時(shi)(shi)鐘(zhong)。時(shi)(shi)鐘(zhong)限(xian)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)了PWM可(ke)以提供的(de)(de)(de)照(zhao)明級別的(de)(de)(de)數(shu)量。一(yi)(yi)個典型的(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)驅(qu)(qu)動(dong)照(zhao)明控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)提供100個強度級別，而一(yi)(yi)個典型的(de)(de)(de)電(dian)流驅(qu)(qu)動(dong)照(zhao)明控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)通常提供幾千個強度級別和更好(hao)的(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)水平(ping)。

恒(heng)流照明(ming)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器的(de)設計(ji)通過恒(heng)流照明(ming)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器的(de)設計(ji)通過可(ke)(ke)控(kong)(kong)(kong)的(de)電流直接控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)照明(ming)強度(du)。恒(heng)流驅(qu)動可(ke)(ke)能(neng)是LED照明(ming)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)中最精確(que)和可(ke)(ke)靠的(de)選擇，因為照明(ming)強度(du)與(yu)電流成正比，而電流驅(qu)動不受電源變化的(de)影(ying)響。恒(heng)流控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器在高速系統和需要脈(mo)沖(chong)光的(de)地方也有顯著的(de)好處。

高速照明控制

照明(ming)控(kong)制的(de)(de)一(yi)個重(zhong)要挑戰是(shi)為每次曝(pu)光(guang)創建(jian)(jian)可重(zhong)復的(de)(de)照明(ming)強度(du)，這得(de)益于精確的(de)(de)方形脈(mo)沖(chong)，具(ju)有穩定的(de)(de)上升沿和下降沿。尖銳的(de)(de)脈(mo)沖(chong)邊緣很難(nan)通(tong)過(guo)電(dian)壓驅(qu)動(dong)實現，特別(bie)是(shi)當照明(ming)控(kong)制器和燈之間的(de)(de)電(dian)纜(lan)很長時，可能會導致亮(liang)度(du)隨著(zhu)時間和曝(pu)光(guang)的(de)(de)不同(tong)而變化。恒流照明(ming)控(kong)制器能夠(gou)利用更高的(de)(de)電(dian)壓水(shui)平，快速建(jian)(jian)立準(zhun)確的(de)(de)照明(ming)，而不會造成EMC干擾。這使得(de)恒流驅(qu)動(dong)比電(dian)壓驅(qu)動(dong)快10倍。

在PWM系(xi)(xi)統(tong)中，照(zhao)(zhao)明強(qiang)度(du)的(de)(de)(de)準確性依賴(lai)于每次曝(pu)(pu)光有大量(liang)的(de)(de)(de)電壓脈(mo)(mo)沖。高(gao)速的(de)(de)(de)照(zhao)(zhao)明系(xi)(xi)統(tong)可(ke)(ke)能只(zhi)有幾(ji)微秒的(de)(de)(de)曝(pu)(pu)光時間，每次曝(pu)(pu)光只(zhi)會(hui)出現幾(ji)個PWM脈(mo)(mo)沖。在這(zhe)種高(gao)速照(zhao)(zhao)明系(xi)(xi)統(tong)中，PWM周(zhou)期的(de)(de)(de)不(bu)同會(hui)對(dui)照(zhao)(zhao)明強(qiang)度(du)產生可(ke)(ke)測量(liang)的(de)(de)(de)影(ying)響。如(ru)圖2所示，相(xiang)(xiang)機(ji)曝(pu)(pu)光和(he)PWM脈(mo)(mo)沖的(de)(de)(de)時鐘導致相(xiang)(xiang)機(ji)第(di)一(yi)次曝(pu)(pu)光比第(di)二次曝(pu)(pu)光接收到超過30%的(de)(de)(de)光，一(yi)個更快(kuai)的(de)(de)(de)內部PWM時鐘可(ke)(ke)以減少這(zhe)種影(ying)響，但這(zhe)些高(gao)速電壓脈(mo)(mo)沖會(hui)導致鄰近系(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)(de)EMC干擾。更先(xian)進的(de)(de)(de)PWM系(xi)(xi)統(tong)可(ke)(ke)能提供同步PWM周(zhou)期與相(xiang)(xiang)機(ji)快(kuai)門的(de)(de)(de)能力，但這(zhe)可(ke)(ke)能很難實現，特別是滾(gun)動快(kuai)門相(xiang)(xiang)機(ji)系(xi)(xi)統(tong)。

頻閃的優勢

現(xian)(xian)階(jie)段光(guang)源照(zhao)(zhao)明的(de)(de)(de)(de)一(yi)個(ge)重要(yao)好處是，光(guang)源可(ke)以產生比設備制(zhi)造商指(zhi)定的(de)(de)(de)(de)最大亮度更(geng)高的(de)(de)(de)(de)照(zhao)(zhao)明。這(zhe)是通過(guo)一(yi)種被(bei)稱為(wei)頻(pin)閃(shan)的(de)(de)(de)(de)技術實(shi)(shi)現(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)，即經(jing)過(guo)光(guang)源的(de)(de)(de)(de)一(yi)個(ge)短暫但高的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流來(lai)實(shi)(shi)現(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)。當二極管(guan)內部的(de)(de)(de)(de)散(san)熱處理得(de)當時，頻(pin)閃(shan)不(bu)會(hui)損壞LED，因此(ci)它永(yong)遠不(bu)會(hui)超過(guo)安全水(shui)平，這(zhe)是通過(guo)基于LED燈的(de)(de)(de)(de)額定功率、通過(guo)光(guang)源的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流和占(zhan)空比的(de)(de)(de)(de)精確(que)(que)計(ji)算完(wan)成的(de)(de)(de)(de)。為(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)源提(ti)供24V電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)的(de)(de)(de)(de)基于電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)的(de)(de)(de)(de)照(zhao)(zhao)明控制(zhi)器不(bu)能(neng)創造一(yi)個(ge)可(ke)控的(de)(de)(de)(de)頻(pin)閃(shan)水(shui)平，而那(nei)些提(ti)供雙(shuang)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)的(de)(de)(de)(de)照(zhao)(zhao)明控制(zhi)器則會(hui)在(zai)兩個(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)水(shui)平之間(jian)出(chu)現(xian)(xian)不(bu)可(ke)預(yu)測的(de)(de)(de)(de)亮度不(bu)連續性。只有恒流控制(zhi)器才能(neng)安全、準確(que)(que)地控制(zhi)頻(pin)閃(shan)。