LED的进步为机器视觉用户提供了更多的好处

在过去的十年中，发光二极管(LED)供应商和芯片设计激增。Moritex北美公司总裁Jason Baechler表示:“不久之前，我们还只能在特定的芯片供应商那里购买不同的产品，零部件制造商之间也没有太大的区别。“大量的选项使更多的应用成为可能，因为现在你可以获得所需的输出水平或访问某些波长。对于更具挑战性的应用程序，最终用户不一定需要一直要求定制。”

机器视觉客户有更多的选择来将LED耦合到光学器件，以更好地控制光的输出或输出的方向，以及获得更多的光控制配件。Baechler还引用了各种各样的材料，其中一些是从平板工业中衍生出来的，现在可以用于机器视觉市场，“这样我们就可以生产具有不同方向性的灯——不仅基于芯片，还基于我们与它耦合的东西，无论是光学元件还是薄膜，”他说。

承受一些压力

led最大的缺点之一是它们产生的热量。因为热量降低了LED的效率，产生的光就更少了。但led热管理的改进正在解决这些挑战。

“LED制造商正在创造更好的热粘合垫，从而创造更好的热触点来帮助散热。他们还减少了LED内部的晶圆键的数量，并使用芯片规模的封装，”中期技术销售经理Mark Kolvites说。“这些功能增加了LED的寿命和输出。”

这些改进促使中期公司重新评估其LED灯产品线，以适应效率的提高。科尔维茨说:“我们现在看到的是，与一年前相比，我们只需要加大对LED的驱动力度，就可以发出更多的光，因为散热效果要好得多。”

科尔维茨估计，与一年前相比，使用相同的驱动程序，中期公司的灯的温度降低了15%到20%。“我们实际上是在增加驱动电流，更多地利用光线，”他说。

由于效率的大幅提高，“我们仍然可以通过增加更多的散热来释放这些led的潜在强度，”Metaphase的运营和工程经理Kevin High说。“客户总是要求更亮的灯光，这样他们就可以缩短曝光时间，加快生产线的运行速度。在我们的标准产品方面，我们还远不及它们所能做到的。”

总体光学效率的提高影响了远心透镜同轴照明的设计。在这些产品中，光经过分束器，然后通过透镜光学投影。

Baechler说:“即使是最好的设计也能产生反射，而且效率已经提高了很多，以至于我们实际上不得不降低照明器的尺寸，这样我们就可以控制光线水平，以确保不会有太多的反射来洗掉图像或影响镜头的表现。”

机器视觉中的波长可用性

Smart Vision Lights的工程主管马特•品特(Matt Pinter)认为，LED照明的最大进步不是来自于芯片或芯片，而是来自于几乎所有机器视觉检测任务都能获得波长。

密歇根州立大学农业学院的研究证明了波长的重要性，同时为机器视觉行业提供了经验教训。智能视觉灯为一个研究波长如何影响植物生长的项目提供了LED灯。研究人员发现，某些波长能使植物生长，而另一些波长能使植物开花。该项目还揭示了某些类型的生菜只使用一种波长。

品特说:“你给植物所有这些波长，这是浪费时间和精力。”引起机器视觉客户兴趣的一种波长是短波红外(SWIR)，主要是为了应对SWIR摄像机需求的增长。SWIR光能穿透大多数材料的几毫米厚。Metaphase销售工程师James Gardiner表示:“使用SWIR，可以解决以前使用可见光或标准低波长IR无法解决的应用。“这不仅仅是机器视觉的一个小众部分。它可以应用于任何市场，无论是医疗保健、汽车还是科技。”

加德纳举了一个检查医用静脉输液袋的接缝和内容的例子。他说:“很难找到装在透明材料袋里的透明液体。”“特别是在1450 nm的红外光谱中，任何水性产品都会吸收SWIR并呈现黑色，这样你就可以在清晰的背景和水性产品之间获得非常好的对比。”同样的情况也适用于汽车应用中常用的透明胶水和润滑剂。

与此同时，大型科技公司正在使用SWIR灯来检查硅片的缺陷，在超过1100纳米时，硅片就会变得像玻璃一样清晰。Gardiner说:“一个好的硅片对相机来说是看不见的，所以SWIR可以帮助你在硅片和缺陷之间创造出巨大的对比。”

也许紫外线和红外照明的最大挑战来自光学，因为几乎没有在非可见波长有效的漫射器可供选择。如果没有合适的光学漫射材料，光线可以直接穿过被测物体，并产生“热点”，这些“热点”在光线过于强烈的地方出现在图像上，因此降低了图像的整体对比度。相反，如果光学扩散材料吸收了太多的光，就没有任何光能到达被测物体。

虽然LED光学器件的主要材料是塑料，但紫外线会因为日晒而导致塑料分解。熔融石英和熔融二氧化硅等材料提供高紫外光透射率。用于SWIR的光学材料的选择也有限，但包括熔融二氧化硅、锗、氟化钙和蓝宝石。

几年来，Smart Vision Lights一直使用硅胶作为LED灯的外壳、密封和透镜方向的功能。品特表示，有机硅光学元件比塑料和玻璃光学元件有很多优势。光学级硅胶具有坚固的设计，在广谱上提供高传输，承受大的温度范围，并且不受紫外线的影响。此外，硅树脂成型的成本是塑料注射成型的一小部分。

少花钱多办事

机器视觉设计师一直在追求创造更简单、更便宜、更灵活、更紧凑的系统。机器视觉照明行业正在推出多光谱LED灯，支持单站检测，配备一个摄像头和一个光源。

加德纳说:“你能得到的产品信息越多，你就能对它进行更好的分析。”“当你不仅可以在可见光谱中获得这些信息，而且还可以在红外范围内获得这些信息时，你就可以进行更可靠的检查。”

RGB + IR LED的第一个应用是猪肉检验。客户使用RGB光谱来确保猪肉是正确的颜色。与此同时，红外线部分完成了可见光无法完成的事情:它穿透肉的表面，寻找嵌入的污染物，如橡胶手套。

虽然对多光谱照明的需求持续增长，但高光谱led可能代表机器视觉照明的下一个前沿领域。品特说，对高光谱LED照明感兴趣的客户“想要一种真正的宽带、600纳米到1000纳米的固态平板光，每个波长都有，而不是850纳米、940纳米和1300纳米之间有波峰和波谷的多光谱光。”

由于高光谱LED照明处于起步阶段，客户仍然不得不依赖于卤素、钨和氙气等宽带灯泡。品特说:“这些灯泡会浪费很多波长，所以LED会根据特定的波长区域进行定制。”

正确的照明对于机器视觉的另一个上升趋势:3d成像至关重要。对于计量应用，先进的光控制产品(扩展到UV和IR光谱)使用可编程结构光模式实时生成3-D数据。

Baechler说:“这项技术已经在光刻技术中应用多年，但我们正在将其引入主流机器视觉市场，用于自动化光学检测应用，如测量PCB组件、微电子和其他高端组件。”

尽管LED照明的发展仍在缓慢而稳定地朝着更高的效率发展，但通过结合更多、更好控制的照明的力量，以及光学、传感器和软件的改进，机器视觉能力正在设法跟上客户的期望。

韦恩哈丁是AIA的特约编辑。本文最初发表于视觉在线．AIA是推进自动化协会(A3)的一部分。A3是CFE Media的内容合作伙伴。由Chris Vavra编辑，生产编辑，CFE媒体，cvavra@cfemedia.com。

更多的建议

关键概念

机器视觉客户有更多的选择发光二极管(LED)产品来控制光的输出，以及有更多的控光配件。

机器视觉用户总是希望创建更简单、更便宜、更灵活、更紧凑的系统。

高光谱成像技术的潜力可能是机器视觉应用的下一次革命。

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