機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心是圖像采集和處理。所有信息均來(lái)源于圖像，圖像本身的質(zhì)量對(duì)整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)極為關(guān)鍵，而光源則是影響機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)圖像水平的重要因素。好的打光設(shè)計(jì)能夠使我們得到一幅好的圖象，從而改善整個(gè)系統(tǒng)的分辨率。通過(guò)適當(dāng)?shù)墓庠凑彰髟O(shè)計(jì)可以使圖象中的目標(biāo)信息與背景信息得到最佳分離，可以大大降低圖象處理的算法難度，同時(shí)提高系統(tǒng)的精度和可靠性。

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中光源的作用：

• 照亮目標(biāo)，提高亮度
• 形成有利于圖像處理的成像效果，降低視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜度及對(duì)圖像處理算法的難度
• 克服環(huán)境光的干擾，保證圖像穩(wěn)定性
• 用作測(cè)量的工具或參照

LED光源的類型

目前機(jī)器視覺(jué)照明主要采用LED光源（發(fā)光二極管）。由于其形狀自由度高，發(fā)熱少、功耗低、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、發(fā)光強(qiáng)度高、單色性好、顏色多樣、綜合性價(jià)比高等特點(diǎn)，LED光源在行業(yè)內(nèi)被廣泛應(yīng)用。

一、LED光源分類與應(yīng)用

01環(huán)形光源

環(huán)形光源

LED燈珠排布成環(huán)形與圓心軸成一定夾角，有不同照射角度、不同顏色等類型，可以突出物體的三維信息；解決多方向照明陰影問(wèn)題；圖像出現(xiàn)燈影情況可選配漫射板，讓光線均勻擴(kuò)散。

應(yīng)用：螺絲尺寸缺陷檢測(cè)；IC定位字符檢測(cè)；電路板焊錫檢查；顯微鏡照明等。

02條形光源

條形光源

LED燈珠排布成長(zhǎng)條形。多用于單邊或多邊以一定角度照射物體。突出物體的邊緣特征，可根據(jù)實(shí)際情況多條自由組合，照射角度與安裝距離均有較好自由度。適用較大結(jié)構(gòu)被測(cè)物。

應(yīng)用：電子元件縫隙檢測(cè)，圓柱體表面缺陷檢測(cè)，包裝盒印刷檢測(cè)，藥水袋輪廓檢測(cè)等。

03同軸光源

同軸光源

同軸光源提供了比傳統(tǒng)光源更均勻的照明，同時(shí)避免物體的反光，提高了機(jī)器視覺(jué)的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性。適用于粗糙程度不同、反光強(qiáng)或不平整的表面區(qū)域，檢測(cè)雕刻圖案、裂縫、劃傷、低反光與高反光區(qū)域分離、消除陰影等。需要注意的是同軸光源經(jīng)過(guò)分光設(shè)計(jì)有一定的光損失，需要考慮亮度，并且不適用于大面積照射。

應(yīng)用：玻璃和塑料膜輪廓和定位檢測(cè)，IC字符及定位檢測(cè)，晶片表面雜質(zhì)和劃痕檢測(cè)等。

04圓頂光源

LED燈珠安裝在底部通過(guò)半球內(nèi)壁反射涂層漫反射均勻照射物體。圖像整體的照度十分均勻，適用反光較強(qiáng)金屬、玻璃、凹凸表面、弧形表面檢測(cè)。

應(yīng)用：儀表盤(pán)刻度檢測(cè)，金屬罐字符噴碼檢測(cè)，芯片金線檢測(cè)，電子元件印刷檢測(cè)等。

05背光源

LED燈珠排布成一個(gè)面(底面發(fā)光)或者從光源四周排布一圈(側(cè)面發(fā)光)。常用于突出物體的外形輪廓特征，適用于大面積照射。背光一般放置于物體底部需要考慮結(jié)構(gòu)是否適合安裝，在較高的檢測(cè)精度下可以加強(qiáng)出光平行性來(lái)提升檢測(cè)精度。

應(yīng)用：機(jī)械零件尺寸及邊緣缺陷的測(cè)量，飲料液位及雜質(zhì)檢測(cè)、手機(jī)屏漏光檢測(cè)，印刷海報(bào)缺陷檢測(cè)，塑料膜邊緣接縫檢測(cè)等。

06點(diǎn)光源

高亮LED，體積小，發(fā)光強(qiáng)度高；多用在配合遠(yuǎn)心鏡頭使用，一種非直接同軸光源，檢測(cè)視野較小。

應(yīng)用：手機(jī)內(nèi)屏隱形電路檢測(cè)，MARK點(diǎn)定位，玻璃表面劃痕檢測(cè)，液晶玻璃底基校正檢測(cè)等。

07線光源

高亮LED排布，采用導(dǎo)光柱聚光，光線呈一條亮帶，通常用于線陣相機(jī)，采用側(cè)向照射或底部照射，線光源也可以不使用聚光透鏡讓光線發(fā)散，增加照射面積也可在前段添加分光鏡，轉(zhuǎn)變?yōu)橥S線光源。

應(yīng)用：液晶屏表面灰塵檢測(cè)，玻璃劃痕及內(nèi)部裂紋檢測(cè)，布匹紡織均勻檢測(cè)等。

08特殊光源

• 紅外光源

LED照射的紅外光僅擁有特定波長(zhǎng)范圍的能量，與鹵素光源相比，照射熱極少。因此，對(duì)象物不易因熱能而受損。

應(yīng)用：

水分含量和水滴有無(wú)檢測(cè)

包裝內(nèi)部的內(nèi)容物檢測(cè)

包裝密封部分異物混入檢測(cè)(包裝材料: PE等)

紫外光源

可用波長(zhǎng): 365nm, 385nm, 395nm和405nm。

用于熒光觀察，涂層檢測(cè)和缺陷檢測(cè)等各種檢測(cè)應(yīng)用。

紫外光源

二、光源的發(fā)光顏色

在工業(yè)實(shí)際運(yùn)用中，由于不同工件和材料對(duì)不同光源顏色吸收程度是不一樣的，要達(dá)到的效果不同，檢測(cè)的項(xiàng)目不同，對(duì)光源顏色的需求也是不一樣的，所以選擇一個(gè)正確顏色的光源很重要。

不同波長(zhǎng)的光線呈現(xiàn)不同的顏色。波長(zhǎng)決定特定顏色的特征。不同顏色光源的特點(diǎn)如下：

# 一般情況下，如果使用黑白相機(jī)，又對(duì)被測(cè)物體的顏色選擇沒(méi)有特殊的要求，紅色是比較合適的選擇。因?yàn)榧t色LED壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定、價(jià)格低廉，更重要的是紅色LED的波長(zhǎng)更接近傳感器的靈敏度峰值，而通常的CCD對(duì)紫色、藍(lán)色的光敏感程度沒(méi)有紅光強(qiáng)。

顏色的互補(bǔ)與對(duì)比

為了方便應(yīng)用，可以把可見(jiàn)光波段的顏色首尾相接組成一個(gè)圓環(huán)，也就是所謂的色環(huán)。色環(huán)中距離比較近的顏色為相近色或者相鄰色，關(guān)于圓環(huán)中心對(duì)稱的為互補(bǔ)色，離的比較遠(yuǎn)的為對(duì)比色。

在光照環(huán)境中，使用與物體本色相鄰或相同的顏色照射，物體在圖像中的亮度會(huì)相對(duì)比較高；反之，如果使用對(duì)比色光照，則會(huì)使物體在圖像中顯得比較暗。所以，在拍攝物體時(shí)，如果要將某種顏色打成白色，那么就得使用與此顏色相同或相似的光源（光的波長(zhǎng)一樣或接近），而如果要打成黑色，則需要選擇與目標(biāo)顏色波長(zhǎng)相差較大的光源。

三、如何選擇光源

在選擇光源時(shí)，首先要考慮的是使用光源要做什么。圖像處理的應(yīng)用大致分為“外觀檢查”“OCR”“尺寸測(cè)量”“對(duì)準(zhǔn)”4種。我們可以通過(guò)以下四點(diǎn)來(lái)選擇光源：

01顏色與對(duì)比度

與工作顏色處于相反位置的顏色稱為互補(bǔ)顏色，具有使該顏色脫穎而出的效果。

它旁邊的顏色被稱為類似的顏色，并具有吸收（混合）顏色的效果。如果您希望背景或不需要的顏色顯示為黑色，請(qǐng)使用這些效果選擇互補(bǔ)顏色;如果您希望背景或不需要的顏色為白色，則使用類似的顏色。 此外，由于波長(zhǎng)的特點(diǎn)，波長(zhǎng)越短，散射速率越大，從而可以揭示細(xì)微的劃痕。白色照明經(jīng)常用于彩色相機(jī)。因此，可以根據(jù)工作特點(diǎn)和波長(zhǎng)選擇照明顏色。

02工件顏色與光源顏色的關(guān)系

當(dāng)12色彩鉛分別用B、G、R三種顏色打光處理的情況下，同色系的顏色變白。

02工件的形狀和狀態(tài)

由于打光角度是固定的，光源的正反射光在一個(gè)傾斜的表面上進(jìn)入相機(jī)，會(huì)導(dǎo)致光暈，如果表面是鏡面的，照明發(fā)射部分本身就會(huì)被反射。

要根據(jù)工件的形狀和狀況，從同軸落射照明法、直接照明法、間接照明法、透射照明法和透鏡的組合中選擇最合適、最均勻的照明方法。

?? 同軸落射照明

它是一種從正上方沿鏡頭的光軸垂直于物體進(jìn)行照明的方法。它主要用于鏡面物體（平面、高反射的物體）。例如，它適用于突出反射率略有不同的區(qū)域，如IC圖案、LCD電極、硅片上的ID碼和鍍金標(biāo)記。

根據(jù)是否通過(guò)光學(xué)透鏡進(jìn)行輻照，有以下兩種方法：

① 同軸落射照明法

這種方法也被稱為遠(yuǎn)心照明，在鏡筒內(nèi)使用一個(gè)半鏡或分光器，通過(guò)光學(xué)透鏡進(jìn)行照明。它只對(duì)具有高反射率的物體有效，如鏡面，因?yàn)樗邮沾怪庇谖矬w照射的正反射光。由于漫反射，劃痕和異物顯得很暗，很容易獲得劃痕和異物與鏡面的對(duì)比。它不適合于非鏡面的表面或傾斜的、不直接反射的物體”。

點(diǎn)光源/超高亮度點(diǎn)光源

② 模擬同軸落射照明法

一種垂直于物體的照明方法，通過(guò)使用半反射鏡或分光鏡，使照明路徑與鏡頭的光軸相同，而不通過(guò)光學(xué)鏡頭。由于它不通過(guò)光學(xué)透鏡，在一定程度上可用于非鏡像物體，并可與遠(yuǎn)心透鏡以外的鏡頭結(jié)合使用。

在這種情況下，鏡子的尺寸和光圈尺寸必須比遠(yuǎn)心鏡頭大”。

模擬同軸落射照

?? 直射照明法

對(duì)物體的直接照明是最經(jīng)常使用的照明方法。它主要用于檢測(cè)非鏡面物體不平整表面上的劃痕、裂紋和其他邊緣。根據(jù)工件的形狀，可以采用各種形式和角度，如環(huán)形照明、低角度照明、水平對(duì)置照明、條形照明、表面照明和線條照明。

① 直射照明法--環(huán)形

由于來(lái)自環(huán)形光源（360°）的照射，可以防止陰影產(chǎn)生。容易安裝，設(shè)置簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于表面的劃痕檢測(cè)、污跡檢測(cè)和二維碼識(shí)別等領(lǐng)域。有各種角度可供選擇，從平坦發(fā)光面照射到水平于工件（被測(cè)物）照射。

當(dāng)工件表面為易于反光的鏡面時(shí)，可以使用偏振濾光片的組合來(lái)防止光暈，而且根據(jù)安裝距離以及光源指向性不同，可能會(huì)有反光和反射重影。

環(huán)形、平面、低角度、低角度水平照射

② 直射照明法--條形

條形或是在條形上發(fā)光的照明方法。在線陣相機(jī)進(jìn)行識(shí)別物體的應(yīng)用中用來(lái)照亮特定需要照亮的區(qū)域。面陣相機(jī)的應(yīng)用中，光線的清晰度和線性度非常好，可以從接近水平的角度進(jìn)行打光，來(lái)強(qiáng)調(diào)和識(shí)別小的不均勻區(qū)域。根據(jù)不同的應(yīng)用，可以結(jié)合使用聚光鏡、擴(kuò)散器或偏光鏡。

③ 直射照明法--背光

“背光”是通過(guò)將被測(cè)物放置在鏡頭與光源之間，拍攝剪影的打光方式。主要用于檢測(cè)被測(cè)物的形狀、透明物體上的劃痕和夾雜物。由于對(duì)比度容易實(shí)現(xiàn)，所以可以獲得穩(wěn)定的圖像。然而，由于發(fā)光面要比被測(cè)物大，后方需要更多的空間用于放置光源。為了減少環(huán)境光影響，還有一種方法是在受光側(cè)使用與遠(yuǎn)心鏡頭的NA相匹配的聚光鏡。

背光/直接透射照明

?? 間接照明法

一般打光方式，因?yàn)橹赶蛐怨潭?，根?jù)被測(cè)物的形狀，被測(cè)物某些部分被強(qiáng)烈反射導(dǎo)致亮度不均，使物體無(wú)法被識(shí)別。另外，如果該物體是一個(gè)具有弧形表面的鏡面物體，發(fā)光部分會(huì)映射在該物體中。為了解決這些問(wèn)題，一般采用從不同方向打光的方式，即間接照明法。

圓頂/無(wú)影環(huán)形/無(wú)影低角度

03視野及設(shè)置光源距離

由于遠(yuǎn)心鏡頭沒(méi)有視角，即使在視場(chǎng)外圍也是如此，因此當(dāng)使用直接照明法時(shí)，照明尺寸應(yīng)約為視野（FOV）+α。而另一方面，一般鏡頭有一個(gè)視角，所以在使用直接或透射照明法時(shí)，照明尺寸的選擇應(yīng)考慮到視角的影響。有必要選擇一個(gè)考慮到視角和光圈的照明尺寸。

04 不同光源比較表