第二十九卷第四期

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1 視覺檢測系統光源 之應用 康茂龍 摘要 光源依其發光類型可分為 1 熱輻射光源 鹵素燈 2 放電光源 螢光燈類 3 半導體發光光源 光電二極體 LED 以 LED 燈與鹵素燈 螢光燈燈源比較而言 LED 照明已逐漸受到市場上的青睞與重視 因為 LED 具有體積小 反應快 發光效率佳 壽命 長 耗電量少 亮度可調 不需使用水銀等高污染物質等特質 而傳統的鹵素燈 螢光燈等 光源漸漸被 LED 燈所取代 因此本文針對近年來視覺檢測系統中較廣泛使用的 LED 燈 鹵 素燈及螢光燈進行初探 彙整相關資料與數據 對光源之優缺點提出比較探討 關 鍵 字 光 電 二 極 體 Light Emiting Doide 鹵 素 燈 Halogen Lamp 螢 光 燈 Fluorescent Lamp

2 印 壹 緒論 刷 科 技 個電磁頻譜圖中 我們通常將此段頻譜泛 稱 可見光 Visible 波長大約從 400nm 視覺檢測系統中最關鍵的一個面向就 到 700nm 視覺系統中 所使用的 CCD 攝 是選擇正確的光源 因為機器視覺光源直 影機 亦或所謂光藕合元件 主要構成元 接影響到影像的品質 進而影響到視覺檢 件是半導體裝置 其最高反應靈敏度可達 測系統的效能 為期符合檢測品質要求 950nm 因此 當我們論述視覺系統 所需 必須針對各類不同產品不同檢測項目 研 搭配之光源時 就不再局限於上面所提之 究分析光源入射的反應 評估做出最適合 可 見 光 400nm-700nm 或 單 純 用 燭 光 的光源 footcandles 流 明 lumem 照 度 光源是視覺檢測的硬體設備中 相當 lux 等基於人的眼睛所定義出來的 光 重要的一環 好的光源搭配 可以得到正 源 計量單位 來計算不同於可見光頻譜 確的影像 增加檢測的速度及穩定性 降 反 應 的 半 導 體 裝 置 實 際 所 需 的 光 源 多 低檢錯的風險 同時 亦節省了開發或系 寡 更精確地計算方式 以便能尋得正確 統整合所必須額外付出的軟體 以及硬體 光源系統 同時經由所使用的電子藕合攝 的 花 費 雖 然 如 此 如 何 選 擇 正 確 光 影機 得到最佳的取像效果 我們必須深 源 截至目前為止 在大數的應用案例 入探討 確實光感知器本身 也就是攝影 中 其需要或多或少的試驗 但在實際情 機內部的影像藕合元件 image sensor 單 況下 尤其針對長期致力於視覺系統開發 位面積所接收到的照度 irradiation 或輝 者而言 若能事先估算出 在使用特定攝 度功率 radiant power 影機當中 選擇何者光源及其正確擺設位 置 以便能後續得到最佳的效果與對比最 1 ED = dø/dad Ø = power[w], 2 AD = detector surface area[m ] 好的影像品質 進一步做檢測判讀 除了 由上述之公式所代表之物理意義得 可縮短系統評估時間外 也確保個人或公 知 無 論 使 用 何 種 光 源 或 不 同 的 擺 設 位 司在技術與市場上的競爭力 翔麟資電有 置 最後必須確保攝影機端影像藕合元件 限公司 2013/09/17 上 單位面積所吸收之照度 大於某一個 光源就字面上解釋 不外乎涵蓋一般 固 定 值 才 能 經 由 光 電 轉 換 透 過 攝 影 日常生活中 人的眼睛所能 偵測 到的 機 輸出 Video 訊號 一般稱之為攝影機所 範圍 例如太陽光 而眼睛所能觀視且反 具備之最低照度 所謂照度 irradiation 應最強的太陽光 其波長為 560nm 在整 是來自於所選用的光源本身所輻射出來之 31

3 第二十九卷第四期 radiation 2 Lt = d3ø/dat dod Ø = radiant flux power [w],at = trans mitter surface area[m 2 ], O = solid angle [Sr], = ware length [m] 2 / Solid angle transmitter surface area Front Illumiuction 1-1 Back Illumiuction Directional Front Lighting Diffuse Front Lighting Ring Illumination Oblique Lighting 32

4 印刷科技 Coaxial Lighting /09/17 相機光源待測物件 1-1 相機待測物件光源 /09/ LED 33

5 第二十九卷第四期 Ra Light Q - lumen-h - lm-s Electromagnetic Radiation Photon 2-1 The Radiant Energy Spectrum cm cm

6 印刷科技 nm 1nm= 10-9 m Luminous Flux nm V λ 100 W 1750 lm 40W 3150 lm 1 lm I 1 cd 1 W F F I W lm

7 第二十九卷第四期 2-1 光的單位對照表 對照物理量 輻射通量 光通量 發光強度 照度 單位名稱 瓦特 流明 坎德拉 勒克斯 單位簡稱 w lm cd Lx 2-2 光源 輝度 Cd/ m2 太陽 160,000 碳極弧燈 18,000~120,000 電泡鎢燈絲 200~2,000 碳絲電泡 70 電泡球面 20~50 電石燈焰 (Acetylene 瓦斯燈 ) 10 螢光燈 0.5~1.5 蠟燭的焰 0.5~1.0 藍天 sr candle or candela cd 1 cd lm I = / = F / W cd 1 lm / sr 1 candela cd 1 cd lm Luminance, Photometric Brightness, L Cd/ lm 1 1 lux, lx 1 lm 1 ft2 1 footcandle, fc E / F / A lm / lux lx lm / ft2 footcandle fc 36

8 印刷科技 1 fc lx 1 lx fc S Luminous Emittance M Lm/ Color Temperature K Kelvin 3,000K 5,000K light source luminous efficacy lmw lm 2-6 CRI Ra 400nm~700nm Ra Ra Ra80 37

9 第二十九卷第四期 2-3 色溫 Light Colour Most similar Colour Temperature Warm White Light Colour (WW) <3,300K Neutral White Light Colour (NW) 3,300K - 5,000K Daylight White Light Colour (DW) >5,000K 光源 色溫 (K) 太陽 ( 正午時, 依計算 ) 6,200 太陽 ( 正午時, 依地表面測定 ) 5,250 滿月 ( 於地表面測定 ) 4,125 晴天 12,000 陰天 7,000 蠟燭 1,930 乙炔燈 2,350 瓦斯燈 2,160 60W 複絲繞燈泡 2,830 1,000W 單絲繞燈泡 3,080 溫白色日光燈 3,500 白色日光燈 4,500 晝光日光燈 6, W 水銀燈 5, W 螢光水銀燈 4, RGB 色溫 (K) B(%) G(%) R(%) 2, , , , , ,

10 印刷科技 光源種類 2-6 Lm/W 發光效率 (Lm/W) 白熾燈 15 石英鹵素燈 25 LED 燈 200 緊密型省電螢光燈 60 水銀燈 65 普通螢光燈管 70 單管型螢光燈管 85 雙管型螢光燈管 85 石英複金屬燈 90 三波長自然色省電燈管 96 高壓鈉光燈 130 低壓鈉光燈 200 無電極電磁感應燈 Ra>90 90>Ra 90 80>Ra 90 60>Ra 90 40>Ra 90 平均演色評價指數 (Ra) Ra 用途範圍 色檢查 臨床檢查 美術館 印刷廠 紡織廠 飯店 商店 醫院 學校 精密加工 辦公大樓 住宅等 一般作業場所 粗加工工廠 一般照明場所 CIE 2-7 Ra CIE Ra

11 第二十九卷第四期

12 印刷科技 100nm 14,000nm 400nm 700nm Visible Charge-coupled Device CCD C o m p l e m e n t a r y M e t a l - O x i d e - Semiconductor CMOS CCD CMOS CCD CMOS CCD CCD CCD 41

13 第二十九卷第四期 pixel CCD ADC CCD CCD CMOS CCD CMOS CMOS N P CMOS CMOS CCD CCD CMOS CCD/CMOS sensor color filter RGB CCD 3-2 CMOS 42

14 印刷科技 CCD CMOS CCD CMOS CCD 1/10 CCD 1/3 CMOS CCD CMOS CMOS RGB RGB mosaic color filter RGB 100% 1 2~ lm/w ~20 lm/ W Halogen Lamp

15 第二十九卷第四期 Fluorescent Lamp

16 印刷科技 plasma, 253.7nm 185nm Starter 10% 1/3 1/

17 第二十九卷第四期 LED Light Emiting Doide 1955 Radio Corporation of America Rubin Braunstein GaAs 1962 GE Nick Holonyak Jr LED LED 1990 LED Light-Emitting Diode LED 1962 hp LED 2 3 LED 4 LED LED LED LED LED 4-3 P N N P P N PN AlGaAs - AlGaP - AlGaInP - GaAsP - 46

18 印刷科技 4-3 LED GaP - GaN - InGaN - SiC - Si - Al2O3 - ZnSe - C - AlN AlGaN - LED PN LED LED LED 4-4 LED LED LED lm w LED LED LED = 10 47

19 第二十九卷第四期 4-4 LED 2012 LED LED LED LED LED 4-5 CREE LED 10 3%~8% LED 10 LED LED LED

20 印刷科技 4-5 LED CREE LED LED LED 1. LED heat sink Temperature Gradient Conduction Fourier 49

21 第二十九卷第四期 Law Q -ka Q w k Thermal conductivity w /m A m 2 / m T 1 T 2 T = T 2 T 1 Q 2. Tw T 4-6 Central Processing Unit CPU Newtons Law of Cooling Q = ha T w T Q w h convection heat-transfer coefficient w/ m 2 h

22 印刷科技 h A m 2 T w T 3. LED 1879 Josef Stefan Q /A T Ludwig Boltzmann Stefan-Boltzmann Q = AT 4 = w / m 2 K 4 Stefan-Boltzmann condtant Q w A m 2 T K Black body 100% 100% gray Stefan- Boltzmann Q = AT 4 Fg Q= F g A T1 4 T2 4 LED 1. LED PCB IC 2. LCD 3. 51

23 第二十九卷第四期 AOI LED IC 6. Mark 7. Mark TRIGGER LED 3100K LED LED LED LED 80% 90% LED 20% LED 52

24 印刷科技 LED 100 LED LED LED LED LED Digital Image Processing 3/e Gonzalez,W LED LED LED LED LED LED 53

25 第二十九卷第四期 Q&A 1. tw/ 2013/10/ /09/ w w w. i a l i. c o m. t w / p u b l i c a t i o n s / fundamentals/ch1.htm/ 2013/09/ asp?sn= /09/ CREE /10/ /09/ support-light.php/ 2013/09/ org/zh-tw/ 2013/09/ myweb.hinet.net/lighttype.html 2013/09/17 1. Arnaud, D High Dynamic Range Imaging: Sensors and Architectures.SPIE. 2. Burger, W. & Burge, M Principles of Digital Image Processing. London : Springer-verlag. 3. David Salomon The Computer Graphics Manual. London : Springer. 4. Goshtasby, A Image Registration. London : Springer-verlag. 5. M o e s l u n d, T h o m a s B Introduction to Video and Image Processing. London : Springer-verlag. 6. R. W. G H u n t C o l o u r Order Systems: The Munsell Book of Color, Measuring Colour, Fountain Pr Ltd, 3rd ed. 7. Thrasos,P IEEE Transactions on Image Processing: Signal Processing & Analysis. 54