机器视觉测量系统的关键是图像的采集和处理，视觉测量所有信息都是基于图像本身，因而图像本身的质量是整个测量系统的核心。高质量的图像，不仅可以提高系统测量精度，而且极大的降低了后续算法处理的难度。为了得到高质量的图像，良好的照明光源设计是必不可少的，可以说，照明光源是影响视觉系统图像水平的最关键因素之一[1，2]。微型铣刀外径视觉测量系统基于机器视觉原理，实现对铣刀的外径的非接触式在线测量。为了得到锐利的铣刀边缘，测量系统通常选用明场背光照明方式。明场背光照明方式根据照明光源的不同可以分为两种，分别是漫射光源背光照明和平行光源背光照明。由于微型铣刀边缘具有一定厚度，使用漫射光源照明时，由于光的漫反射作用，无法得到锐利的边缘图像。而使用平行光源进行背光照明的方式，则可以有效避免漫反射影响，让铣刀边缘图像更加锐利[3]。柯勒照明可以消除照明中物平面光照度不均匀的缺点，获得均匀又充分明亮的照明，是制作平行光源的理想方法[4]。本文基于柯勒照明原理，设计制作了一种可应用于微型铣刀外径视觉测量系统的平行光源。使用光学仿真软件zemax对光源光路进行了仿真，设计并加工了多节可调金属圆筒机械结构。最后，搭建了微型铣刀外径视觉测量系统，对平行光源的成像效果进行了实验分析。
1平行光源照明设计与制作
图1为平行光源光路示意图，光源由LED、孔径光阑以及3组透镜组成。其中，LED功率为3W，出射光为白光；孔径光阑基于薄铝片制作，中心加工有直径300μm的圆孔；3组透镜是多层镀膜组合透镜，透镜的焦距分别为15mm、10mm和25mm。光源发射光经过透镜1，透镜2作为柯勒镜将其成像在透镜3后组的前焦平面上，平行光源的孔径光阑位于该焦平面上。透镜3为柯勒照明系统的聚光镜，聚光镜后组将孔径光阑成像于无穷远处，重合于物镜的入射光瞳。平行光源的视场光阑紧贴于柯勒镜（透镜2）之后，被聚光镜（透镜3）成像在物平面上。平行光源的孔径光阑确定了整个照明系统的孔径角，而柯勒镜后的视场光阑则决定了物平面大小[5]。平行光源照明系统满足系统拉式不变量不小于物镜拉式不变量准则，据此有公式（1）[6]：（1）再依据三角关系可确定孔径光阑大小。由前述可知，视场光阑与物面是一对共轭面，光源与孔径光阑是一对共轭面。其大小与位置由高斯公式计算可得。设计并加工了多级可调金属圆筒机械结构，如图3所示。其中，孔径光阑使用材料为薄铝片，使用CO2激光器在其中心加工300μm圆孔。第一、二、四级圆筒分别用于固定透镜1、透镜2和透镜3，第三级圆筒用于保证孔径光阑与透镜3的距离。此外，在本平行光源设计中，由于孔径光阑与聚光镜的距离极为重要，微小的偏差会极大的影响光源的平行度。因此在第四级圆筒末端设计有微调卡环机构（见图4），可以进一步微调聚光镜（透镜3）的位置。四级金属圆筒组合后，平行光原实物图如图5所示，总长为142mm。
2平行光源成像效果与分析
2.1微型铣刀视觉测量系统原理
微型铣刀外径视觉测量系统由德国IDS高清工业相机相机（UI-2250SE-M-GL）、远心镜头（NAVITAR1-177972/3''，1.3）、平行背光光源以及精密旋转平台组成，如图6所示。微型铣刀外径视觉测量系统工作原理为：精密旋转平台下方安装有旋转编码器（E6B2-CWZ6C），检测系统工作时，待测铣刀在精密旋转平台的带动下匀速旋转，旋转编码器触发信号点亮平行光源，并控制相机采集铣刀图像。其中，系统采集率控制为120张/圈。
2.2微型铣刀外径视觉测量系统成像分析
为了评估漫射背光照明与平行背光照明条件下的不同成像效果，分别采集这两种照明条件下的图像，如图7所示。图7a与图7b分别为平行背光和漫射背光照明下的成像效果，可以看出，在漫射背光照明条件下，摄像机一侧，铣刀表面也被照亮并成像，尤其以铣刀末端成像效果最为明显，而相应的平行光照明则滤去了大部分无用信息。图7c和图7d分别为图7a与图7b所得图像边缘放大图，可以看出平行光照明下的铣刀边缘，比漫射光照明的要更加锐利。选取直径为1.2mm微型铣刀，分别使用漫射背光光源和平行背光光源对铣刀进行照明成像，测量20次后，所测结果如图8所示。经计算，漫射光和平行光照明条件下铣刀外径均值分别为1.1991mm和1.1994mm，标准差分别为0.745mm和0.306mm。结果表明，平行光照明条件下，不仅提高了铣刀外径的测量精度，也降低了其标准差。
3结语
本文基于柯勒照明原理，设计制作了一种可应用于微型铣刀外径视觉测量系统的平行光源。实验表明，平行光源提高了铣刀的测量精度并降低了测量离差。该平行光源已经投入商业化使用，并应用于超过10套机器视觉系统中，具有一定的实用价值。
作者：江小峰 李亚东 张继燕 夏添艺 林春 单位：厦门大学 物理机电学院
