光の三原色
色は、Red(R)、Green(G)、Blue(B)の光を合成することで様々な色を表現できるため、RGBを“光の三原色”と呼びます。
GとBでCyan(C)、BとRでMagenta(M)、RとGでYellow(Y)、RGBを同じ強度で合成することでWhite(W)となります。
このように足し算で色が決定するため、加法混色と呼びます。
液晶ディスプレイなどはこの加法混色を利用し、色を表示しています。

色の三原色
一方、物体の色は一部の光を吸収することで色が決定します。
CはRを、MはGを、YはBを吸収します。CMYですべての光を吸収し、Black(K)となります。
このように引き算で色が決定するため、減法混色と呼び、CMYを“色の三原色”と呼びます。
インクジェットプリンタではこの減法混色を利用し、色を表現しています。

マシンビジョンシステムでは、物体に光を当てて、その反射光を観察するので、色の三原色（減法混色）をイメージする必要があります。
以下のカラーパターンを参考に、検査画像内のS/N比が高くなるように物体と光源の色から最適な照明色（波長）を選択してください。

マシンビジョンシステムでは、照明で物体（検査ワーク）を照らし、物体から返ってくる光によって、キズや異物といった特徴情報を画像内で濃淡として抽出します。この「物体から返ってくる光」を「物体光」と呼びます。物体光は「直接光」と「散乱光」の2つに分類することができ、正反射方向・正透過方向の光が「直接光」、方向が変わる光を「散乱光」と呼びます。

マシンビジョンにおける照明法は、この「直接光」を観察する「明視野照明法」と、「散乱光」を観察する「暗視野照明法」の2つに分かれます。照射する物体の形状・材質・表面状態などによって「直接光」と「散乱光」の強さ（明るさ）が変化するため、検査ワークの特性を把握した上で照明法を選択する必要があります。

・ 明視野照明法・・・直接光の観察
・ 暗視野照明法・・・散乱光の観察

例えば、検査ワークがキズの無いミラーの場合、照射光の全てがミラー表面で正反射します。反射光軸とカメラの観察軸が同一であれば、照射光が直接カメラに取り込まれます。そのため、照明には明るさよりも均一性が求められます。なお、反射光軸からずれた方向では真っ暗な画像となります。それに対し、表面にキズがあるミラーの場合、キズによって光が散乱するので反射光軸上で観察するとキズの部分が暗く撮像されます。また、反射光軸以外からの観察ではキズの部分で散乱した光を取り込むことができるので、キズの部分だけが明るく撮像されます。
一方、検査ワークが光沢のない白い紙の場合では、紙の表面で散乱反射します。あらゆる方向に光が散乱するので、反射光軸からずれた方向でも明るく撮像され、カメラの観察軸は限定されません。この場合、観察軸上に散乱反射した光のみを観察することになるので、照明には明るさが要求されます。

次に、金属表面にある刻印を明視野と暗視野で撮像した例を示します。
上段のように、刻印以外のフラットな面を明視野で撮像した場合、直接光が返ってくるフラットな面が明るく撮像されますが、刻印部は凹凸があるため直接光が返ってこず、暗く撮像されています。一方で、下段のように暗視野で撮像した場合、フラットな面からは直接光が返ってこず、ごく弱い散乱光のみ返ってくるので暗く撮像されています。対して刻印部やエッジなど段差のある部分は相対的に散乱光が強いため、白く撮像されます。

透過観察の場合でも同様に明視野照明法と暗視野照明法があります。
透明なガラスワークがあった場合に、照射光がワークを透過し、その透過光軸上にカメラの観察軸があれば明視野照明法となり、照射光が直接取り込まれます。この場合も均一性が求められ、ワーク内に異物などがあると、その部分だけ暗く撮像されます。
ワークが擦りガラスのように光を散乱する材質の場合、ワークの裏面で散乱した光をカメラで取り込みます。透過光軸とずれた方向での観察であれば、暗視野照明法となります。ワークの透過率・散乱率によって観察できる光量が変わりますので、明るさが求められます。

画像処理用LED照明の選定を行うには、様々な要素を考慮する必要があります。同じ照明でも設置する高さや角度が違えば撮像画像は全く変わります。また、照明の色（波長）・検査ワークの色（分光反射率）が変わっても撮像画像は変わります。
このように照明はその形状と波長を決めるだけでは十分な選定とは言えません。画像処理における照明の役割は特徴情報の抽出なので、照明・カメラ・検査ワークの位置関係も含めた全体の最適化まで考慮した照明の選定が必要です。
その上でまず初めに考えるべきは「検査対象としている特徴情報が何か」と「そこからどのような光を観察するか」の二点です。
何を検出したいのか、そのためにどのような光を照射すれば検査対象からの光を観察できるのか、を意識する必要があります。
その上で下記の要素を考慮して照明を選定します。
またできるだけ実環境に近い環境下でワークの撮像実験を行い、照明を選定して下さい。

① 光量低下／劣化を早めないために、高温での使用は避ける

LED素子は従来の素子と異なりフィラメントの断線などによる不点灯はほぼ起こりませんが、パッケージング材料の劣化などにより光量が低下することがあります。
特に発熱によって劣化が早まる性質がありますので、高温状態での連続使用は避けるようにして下さい。

② 劣化を抑えるために、発熱を抑える

発熱による劣化を抑えるためには以下の3つの手法が有効です。

● 照明本体の放熱性を高める。

熱伝導率の高い金属ブラケットに取り付ける等により、熱を逃がすことができます。

● 連続点灯ではなく、ON/OFF制御を利用する。

LEDは高速応答ができ、スイッチングに強い素子です。
撮像のタイミングに合わせて照明のON/OFFをさせることで、LED自身の発熱が抑えられ、照明の劣化の抑制、長寿命化が図れます。

● 光量を下げて使用する。

LED照明用電源の調光値を低く設定し光量を下げて使用しますと、LED素子に流れる電流が少なくなり、素子の発熱を抑えることができます。
また、予め光量を下げて使用いただくと調光値の上げ幅に余裕がありますので、照明の光量低下の場合にも調光値の調整で初期の光量を維持することが可能です。

③ 照明と対象物はできるだけ近づけて取り付ける

LEDに限らず照度は距離の2乗に反比例しますので、対象物との距離を近づけると大幅な光量UPが見込めます。

照明延長ケーブルを使用すると、ケーブルによる電圧降下の影響で照明の輝度が減衰します。以下のグラフは弊社標準の延長ケーブル（ 0.3sq）を使用した場合の照明輝度の低下を照明の消費電力ごとに示しています。グラフの通り、ケーブルが長いほど、照明の消費電力が大きいほど輝度が減衰します。
電圧降下はケーブル線を太く（断面積を大きく）することで改善 されます。例えば、1.25sqと0.3sq のケーブルでは、1.25sq / 0.3sq =約4.2倍、電圧降下が改善されます。よって、0.3sqケーブルで20%の電圧降下があった際に、1.25sqケーブルにすると、電圧降下は約4.8% (= 20% / 4.2) に改善されます。

同軸照明とは、ＬＥＤの面発光部をハーフミラーを介してカメラ光軸と同軸に照射させる照明です。
同軸照明の有効視野は、カメラとワークの距離（ＷＤ）、照明とワークとの距離（ＬＷＤ）、照明の発光面サイズにより決まります。ＷＤを大きくすると有効視野は大きくなり、ＬＷＤを大きくすると有効視野は小さくなります。
以下に有効視野の計算方式を記します。
反射率の高いワークほど、ワークサイズを有効視野内に納める必要があります。
本有効視野は発光面サイズより計算されますので、周辺部の輝度低下を考慮して余裕をもった視野設定としてください。

FALUX sensing 対応LED 照明コントローラ  

FALUX sensing*対応のLED 照明とコントローラの組み合わせでご利用いただくと、LED照明の明るさのモニタリングとフィードバックが可能です。
連続点灯、点灯制御による間欠点灯でも照明の明るさを常にモニタリングし、照明の明るさ変化をデータとして"見える化"できます。
数値データはイーサネット通信、RS232通信を用いて収集できるため、IoTによる照明の管理としてもお使いいただけます。


LED照明コントローラ・電源