SISTEMI DI ILLUMINAZIONE

Si può affermare che l’illuminazione sia la parte più critica di un sistema di visione e per questo motivo nelle applicazioni di machine vision la scelta del metodo di illuminazione non deve essere sottovalutata.

L’illuminazione è una tecnica sofisticata e non esiste una scienza esatta per capire come e perché un certo tipo di illuminazione è adatto a una determinata applicazione. Telecamere e fotocamere sono molto meno versatili rispetto all’occhio umano e le condizioni di illuminazione devono spesso essere ottimizzate affinché la telecamera possa rilevare oggetti che l’occhio umano vede in qualsiasi condizione.

Questo vale soprattutto quando si ha a che fare con forme complesse o componenti riflettenti.
La sensibilità relativa dell’occhio umano alla luce viene chiamata: “efficienza luminosa spettrale.”

Il primo diagramma mostra l’efficienza luminosa dell’occhio umano rispetto ad un comune sensore CCD. Il grafico mostra che la sensibilità del CCD alla luce a infrarossi è di gran lunga migliore rispetto all’occhio umano ed è importante tenere conto di questa differenza di sensibilità quando si progettano sistemi di illuminazione per applicazioni di machine vision.

Il confronto tra tecnologia CCD e CMOS di ultima generazione evidenzia che i sensori CMOS sono caratterizzati da una maggiore sensibilità rispetto ai sensori CCD. Le emissioni elettromagnetiche con lunghezza d’onda immediatamente superiore alla gamma visibile sono dette luce a infrarossi, mentre le emissioni con lunghezza d’onda immediatamente inferiore sono dette luce ultravioletta.

La telecamera, come l’occhio umano, è in grado di vedere la luce riflessa dagli oggetti e di conseguenza l’illuminazione di un sistema di visione determina il modo in cui l’oggetto appare alla telecamera. La luce viene riflessa in maniera diversa da un oggetto metallico, da un’etichetta bianca piatta o da una scheda a circuito stampato e pertanto diverse tecniche di illuminazione sono in grado di evidenziare differenti particolari dell’oggetto analizzato. Un’illuminazione inadatta può spesso fare la differenza fra un sistema che funziona e uno che non funziona. Ottimizzando l’illuminazione si elimina spesso la necessità di filtrare l’immagine e si ottiene una soluzione complessivamente migliore. L’uso di sistemi di illuminazione professionali preconfezionati rappresenta sempre più spesso una valida alternativa alla progettazione ed allo sviluppo di un’illuminazione dedicata per un’applicazione.

Un sistema di questo tipo risulta essere:

  • Economico – Risparmio di tempo e denaro su ricerca e progettazione.
  • Collaudato – Migliaia di sistemi in servizio.
  • Affidabile – Lunga durata, manutenzione minima.
  • Ripetibile – Sistemi di alta qualità disponibili in quantità senza produzioni “fatte in casa”.
  • Versatile – Molte tipologie di prodotto e tecnologie.

Per determinare il tipo di illuminazione più adatto per una particolare applicazione, sono necessarie diverse considerazioni:

È un’applicazione monocromatica o a colori?

È un’applicazione ad alta o a bassa velocità?

Quanto misura l’area fisica che deve essere illuminata?

Qual è la natura dell’oggetto – geometria, fattore di riflessione?

Qual è il fattore di particolare rilevanza?

Quali sono i vincoli meccanici/ambientali (sfondo, dimensioni fisiche)?

Le risposte a queste domande definiranno il tipo di illuminazione più adatto per l’applicazione. I paragrafi successivi offrono una spiegazione sintetica delle tecnologie di illuminazione.

TIPI DI ILLUMINAZIONE

Nella visione artificiale sono utilizzate molte tecniche di illuminazione standard per enfatizzare determinati particolari di un oggetto, non bisogna però confondere le “tecniche” con il “tipo” di illuminazione.

I principali tipi di illuminazione comunemente utilizzati per i sistemi di visione sono: fibra ottica, fluorescente e LED. Ogni tipo ha i suoi vantaggi e svantaggi, cosicché ogni applicazione è adatta a un tipo di illuminazione specifico.

Illuminazione a fibra ottica

Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici, realizzati in modo da poter condurre al loro interno la luce (propagazione guidata) sino ad un “adattatore” luminoso posizionato nelle vicinanze dell’oggetto. Gli adattatori luminosi assumono generalmente la forma di lampade lineari e lampade ad anello di diverse dimensioni e lunghezze.

Le sorgenti luminose alogene comprendono in genere un alimentatore stabilizzato e un alloggiamento per una lampada alogena focalizzata sull’estremità di un fascio di fibre inserito nella parte frontale. In alternativa si può utilizzare un LED ad altissima potenza con un’intensità analoga a una sorgente luminosa alogena. Le sorgenti luminose più potenti montano lampade ad alogenuri metallici o a vapori di mercurio. Questo tipo di sorgente luminosa può generare un’intensità fino> sistemi di illuminazione 9 a 5 volte superiore rispetto a un’alogena da 150W. Queste unità offrono l’intensità necessaria per applicazioni ad altissima velocità.

LED

A mano a mano che la tecnologia evolve le lampade alogene lasciano il posto ai LED che sono diventati sempre più potenti. In elettronica il LED o “diodo ad emissione luminosa” è un dispositivo optoelettronico che sfrutta le proprietà ottiche di alcuni materiali semiconduttori di produrre fotoni attraverso un fenomeno di emissione spontanea. Le caratteristiche proprie di questi elementi ne consentono un utilizzo estremamente versatile.
Esistono illuminatori a LED di svariate forme e dimensioni e l’accoppiamento di questa tecnologia con particolari materiali ha consentito di produrre nuovi ed innovativi sistemi di illuminazione. Un esempio è dato dall’utilizzo di “Light conducting surface”. Si tratta di una nuova tecnologia per produrre sistemi di illuminazione basati su retroilluminazione LED. Sulla sorgente di illuminazione e posizionato un foglio di PMMA Poly metile Metracrylato opportunamente trattato al fi ne di potere essere attraversato dal 90% della luce emessa dalle sorgenti sottostanti.

Il LED può avere un’emissione continua (il LED emette costantemente luce) o intermittente (il LED emette luce a intervalli di tempo regolari). Lo spettro luminoso dei LED varia molto a seconda del LED. La caratteristica particolare di questa tecnologia consiste nelle micro-scanalature realizzate nel PMMA che vengono investite ed attraversate dalla luce. Queste micro-scanalature hanno la proprietà di dirigere la luce proveniente dalle sorgenti luminose in modo omogeneo su tutta la superficie dell’illuminatore.
Questa tecnica costruttiva risolve il problema della variazione di temperatura tipica dei LED e permette di produrre qualsiasi tipo di illuminatore anche con fori sulla superficie garantendo uniformità della luce su tutta la superficie.
Illuminatori a LED rappresentano attualmente la soluzione più adatta praticamente per la maggior parte delle applicazioni di visione industriale poiché normalmente questi dispositivi producono luce ad alta intensità a un costo relativamente basso e vantano una durata operativa molto lunga, solitamente fi no a 100.000 ore.
Un altro vantaggio è rappresentato dal fatto che gli illuminatori a LED richiedono solo l’alimentazione in corrente continua e sono provvisti di un cavo resistente e flessibile senza alcuna limitazione di lunghezza.

Illuminazione fluorescente

I tubi fluorescenti sono un sistema di illuminazione comune per uso domestico caratterizzato da buona efficienza energetica che trova impiego limitato nella visione industriale a causa della disponibilità limitata di forme e dimensioni. Gli apparecchi fluorescenti speciali comprendono le lampade a ultravioletti, particolarmente utili per fibre fluorescenti come quelli utilizzati nella stampa di valori.

TECNICHE DI ILLUMINAZIONE

Prima di illustrare le diverse tecniche di illuminazione, è importante spiegare i termini “diretto” e “diffuso”.

I termini si riferiscono alla qualità di luce prodotta. La luce diretta ha un percorso ininterrotto dalla sorgente (ad esempio i LED) all’obiettivo. La luce diffusa passa attraverso un diffusore opaco che ammorbidisce e disperde la luce, rendendola meno intensa ma più uniforme.

Illuminazione bright-field

È la tecnica più comune per l’illuminazione di oggetti omogenei non riflettenti. Il termine bright-field si riferisce alla posizione di montaggio dell’illuminatore. Se la telecamera viene posizionata in modo assiale rispetto ad uno specchio piano, si definisce “bright-field” l’area in cui la luce riflessa si trova all’interno del campo visivo (FOV Field of View) della telecamera. La maggior parte delle lampade ad anello, lineari spot viene utilizzata nel bright-field.

Illuminazione dark-field

Questa tecnica è utilizzata per evidenziare alcuni particolari che sono visibili solo illuminando l’oggetto con una la luce laterale rispetto alla posizione della telecamera.
Efficace per evidenziare difetti, graffi o difetti superficiali, è particolarmente utile per l’ispezione di oggetti riflettenti. Solitamente realizzata con un sistema di illuminazione ad anello con diametro molto superiore all’oggetto da inquadrare con una bassa angolazione, questa tecnica è totalmente dipendente dalla posizione di montaggio dell’illuminatore. Per la tecnica dark-fi eld si possono utilizzare lampade ad anello, lineari e faretti.

Le due immagini successive illustrano il principio dell’illuminazione dark-fi eld quando vengono rilevati graffi o difetti di superficie su un oggetto piatto come una moneta.
Come mostra la prima immagine, su una superficie piatta si ha un angolo di incidenza basso e la maggior parte della luce viene riflessa al di fuori del campo di vista della telecamera.
La seconda immagine mostra come la luce venga normalmente dispersa e solo in presenza di un difetto sulla superficie, venga riflessa verso la telecamera evidenziando in tal modo il graffi o o la deformazione superficiale.

Illuminazione back-light

Questa tecnica prevede che l’oggetto sia posizionato tra la sorgente di illuminazione e la telecamera.

In questo modo è possibile riconoscere la sagoma dell’oggetto. Questa tecnica è utilizzata per ottenere misurazioni estremamente precise ed è utilizzata in applicazioni con materiali traslucidi o trasparenti al fi ne di individuare difetti o caratteristiche.

Nella pratica, questo metodo viene utilizzato normalmente quando è necessario rilevare “fori passanti”, quando l’oggetto è complessivamente opaco con variazioni di chiaroscuro nelle aree di interesse oppure quando è necessario delinearne i bordi.

Illuminazione coassiale

È una tecnica speciale usata per l’illuminazione di oggetti riflettenti. Per ridurre il riflesso della lente della telecamera o dello stesso illuminatore nell’immagine finale, si utilizza un diffusore del fascio. Si tratta di una tecnica piuttosto complessa con diverse varianti a seconda della forma dell’oggetto. La tecnica di illuminazione coassiale è ideale per gli oggetti piatti riflettenti “a specchio”, con profilo inesistente o molto ridotto e privi di superfici con sfondo diffuso. Alcuni esempi di applicazione sono rappresentati dai segni di riferimento delle schede a circuito stampato, etichette riflettenti, ispezione di stampati, difetti di superficie, wafer di silicio lucidati ecc.

Esiste anche una tecnica di illuminazione coassiale definita “avanzata” che offre prestazioni migliori con l’aggiunta di una camera di riflessione che si frappone al percorso diretto fra la sorgente luminosa e l’oggetto. Questi illuminatori sono adatti per illuminare superfici irregolari con un profilo più accentuato ad esempio carta stropicciata, fi letti di viti, schede a circuiti stampati con componenti saldati, plastica stampata ecc.

A sinistra: back light

A destra:illuminazione coassiale

Illuminazione a cupola o “Cloudy Day Illuminator”

La tecnica di illuminazione diffusa continua offre il massimo livello di illuminazione attualmente raggiungibile. È destinata alle applicazioni più complesse e unisce luce riflessa sferica fuori asse e luce coassiale per avere luce incidente da tutte le angolazioni. Questo sistema viene a volte chiamato “Cloudy Day”, cioè giornata nuvolosa, perché non produce ombre. Può essere usato per illuminare le forme speculari più complesse come cuscinetti a sfere, strumenti chirurgici, pellicola metallica zigrinata, compact disc ecc.

Questa sequenza di immagini mostra l’immagine ottenuta in diverse condizioni di illuminazione, fra cui il metodo CDI.

Come mostrato negli esempi, il CDI è l’unico tipo di illuminatore che può illuminare la superficie della moneta senza esporre in alcun modo l’illuminatore stesso.

Le immagini mostrano molto chiaramente i riflessi delle luci. In condizioni di illuminazione normali, si vede solo il riflesso della telecamera e dell’osservatore, mentre con l’illuminazione coassiale risulta molto evidente la disposizione interna. L’illuminatore a cupola diffuso è migliore, ma mostra il punto non illuminato all’apice della cupola.

Illuminazione collimata

La luce emessa da qualsiasi sorgente in una determinata posizione si propaga in modo radiale e si disperde allontanandosi dalla sorgente. La luce proveniente da una sorgente lontana come il sole (considerato a una distanza infinita) colpisce tutte le superfici in modo uniforme. I raggi sono paralleli o collimati. La luce proveniente da una sorgente collimata è utile per individuare piccoli difetti e intaccature su oggetti piatti e riflettenti.

A sinistra: illuminazione a cupola

A destra: illuminazione collimata

Illuminazione strutturata

La Automated Imaging Association (AIA) definisce la luce strutturata come “il processo di illuminazione di un oggetto (da una angolazione nota) con una luce di forma specifica. Osservare la posizione laterale e la distorsione dell’immagine può essere utile per determinare le informazioni di profondità.” L’illuminazione strutturata viene usata in molte applicazioni per ottenere la percezione della profondità e per l’ispezione 3D. La forma più semplice consiste nella generazione di una linea di luce che viene osservata in obliquo. Le distorsioni nella linea possono quindi essere tradotte in variazioni di altezza. Illuminando un oggetto con luce strutturata e osservando il modo in cui la struttura della luce viene modificata dall’oggetto, si ottengono informazioni sulla forma tridimensionale dell’oggetto stesso.

Le applicazioni di questa tecnica comprendono l’ispezione di alimenti per verificarne il volume, le deformazioni o la presenza di corpi estranei, e la verifica del profilo di superficie di oggetti rispetto a campioni di riferimento noti ecc. Per ottenere le informazioni 3D più precise, sono necessarie linee illuminate strette e nitide con un’illuminazione di sfondo minima. Questo risultato viene ottenuto solitamente sfruttando le tecnologia laser per produrre linee precise in combinazione con un filtro a banda stretta applicato sulla camera, trasmettendo solo la luce laser riflessa e non la luce ambiente.