機器視覺系統的核心是圖像采集和處理。所有信息均來源于圖像，圖像本身的質量對整個視覺系統極為關鍵，而光源則是影響機器視覺系統圖像水平的重要因素。好的打光設計能夠使我們得到一幅好的圖象，從而改善整個系統的分辨率。通過適當的光源照明設計可以使圖象中的目標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，同時提高系統的精度和可靠性。

機器視覺系統中光源的作用：

• 照亮目標，提高亮度
• 形成有利于圖像處理的成像效果，降低視覺檢測系統的復雜度及對圖像處理算法的難度
• 克服環境光的干擾，保證圖像穩定性
• 用作測量的工具或參照

LED光源的類型

目前機器視覺照明主要采用LED光源（發光二極管）。由于其形狀自由度高，發熱少、功耗低、壽命長、響應速度快、發光強度高、單色性好、顏色多樣、綜合性價比高等特點，LED光源在行業內被廣泛應用。

一、LED光源分類與應用

01環形光源

環形光源

LED燈珠排布成環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題；圖像出現燈影情況可選配漫射板，讓光線均勻擴散。

應用：螺絲尺寸缺陷檢測；IC定位字符檢測；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，可根據實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。適用較大結構被測物。

應用：電子元件縫隙檢測，圓柱體表面缺陷檢測，包裝盒印刷檢測，藥水袋輪廓檢測等。

03同軸光源

同軸光源

同軸光源提供了比傳統光源更均勻的照明，同時避免物體的反光，提高了機器視覺的準確性和重現性。適用于粗糙程度不同、反光強或不平整的表面區域，檢測雕刻圖案、裂縫、劃傷、低反光與高反光區域分離、消除陰影等。需要注意的是同軸光源經過分光設計有一定的光損失，需要考慮亮度，并且不適用于大面積照射。

應用：玻璃和塑料膜輪廓和定位檢測，IC字符及定位檢測，晶片表面雜質和劃痕檢測等。

04圓頂光源

LED燈珠安裝在底部通過半球內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，適用反光較強金屬、玻璃、凹凸表面、弧形表面檢測。

應用：儀表盤刻度檢測，金屬罐字符噴碼檢測，芯片金線檢測，電子元件印刷檢測等。

05背光源

LED燈珠排布成一個面(底面發光)或者從光源四周排布一圈(側面發光)。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構是否適合安裝，在較高的檢測精度下可以加強出光平行性來提升檢測精度。

應用：機械零件尺寸及邊緣缺陷的測量，飲料液位及雜質檢測、手機屏漏光檢測，印刷海報缺陷檢測，塑料膜邊緣接縫檢測等。

06點光源

高亮LED，體積小，發光強度高；多用在配合遠心鏡頭使用，一種非直接同軸光源，檢測視野較小。

應用：手機內屏隱形電路檢測，MARK點定位，玻璃表面劃痕檢測，液晶玻璃底基校正檢測等。

07線光源

高亮LED排布，采用導光柱聚光，光線呈一條亮帶，通常用于線陣相機，采用側向照射或底部照射，線光源也可以不使用聚光透鏡讓光線發散，增加照射面積也可在前段添加分光鏡，轉變為同軸線光源。

應用：液晶屏表面灰塵檢測，玻璃劃痕及內部裂紋檢測，布匹紡織均勻檢測等。

08特殊光源

• 紅外光源

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

應用：

水分含量和水滴有無檢測

包裝內部的內容物檢測

包裝密封部分異物混入檢測(包裝材料: PE等)

紫外光源

可用波長: 365nm, 385nm, 395nm和405nm。

用于熒光觀察，涂層檢測和缺陷檢測等各種檢測應用。

紫外光源

二、光源的發光顏色

在工業實際運用中，由于不同工件和材料對不同光源顏色吸收程度是不一樣的，要達到的效果不同，檢測的項目不同，對光源顏色的需求也是不一樣的，所以選擇一個正確顏色的光源很重要。

不同波長的光線呈現不同的顏色。波長決定特定顏色的特征。不同顏色光源的特點如下：

# 一般情況下，如果使用黑白相機，又對被測物體的顏色選擇沒有特殊的要求，紅色是比較合適的選擇。因為紅色LED壽命長、穩定、價格低廉，更重要的是紅色LED的波長更接近傳感器的靈敏度峰值，而通常的CCD對紫色、藍色的光敏感程度沒有紅光強。

顏色的互補與對比

為了方便應用，可以把可見光波段的顏色首尾相接組成一個圓環，也就是所謂的色環。色環中距離比較近的顏色為相近色或者相鄰色，關于圓環中心對稱的為互補色，離的比較遠的為對比色。

在光照環境中，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相對比較高；反之，如果使用對比色光照，則會使物體在圖像中顯得比較暗。所以，在拍攝物體時，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（光的波長一樣或接近），而如果要打成黑色，則需要選擇與目標顏色波長相差較大的光源。

三、如何選擇光源

在選擇光源時，首先要考慮的是使用光源要做什么。圖像處理的應用大致分為“外觀檢查”“OCR”“尺寸測量”“對準”4種。我們可以通過以下四點來選擇光源：

01顏色與對比度

與工作顏色處于相反位置的顏色稱為互補顏色，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，請使用這些效果選擇互補顏色;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，由于波長的特點，波長越短，散射速率越大，從而可以揭示細微的劃痕。白色照明經常用于彩色相機。因此，可以根據工作特點和波長選擇照明顏色。

02工件顏色與光源顏色的關系

當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

由于打光角度是固定的，光源的正反射光在一個傾斜的表面上進入相機，會導致光暈，如果表面是鏡面的，照明發射部分本身就會被反射。

要根據工件的形狀和狀況，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域，如IC圖案、LCD電極、硅片上的ID碼和鍍金標記。

根據是否通過光學透鏡進行輻照，有以下兩種方法：

① 同軸落射照明法

這種方法也被稱為遠心照明，在鏡筒內使用一個半鏡或分光器，通過光學透鏡進行照明。它只對具有高反射率的物體有效，如鏡面，因為它接收垂直于物體照射的正反射光。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”。

點光源/超高亮度點光源

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，而不通過光學鏡頭。由于它不通過光學透鏡，在一定程度上可用于非鏡像物體，并可與遠心透鏡以外的鏡頭結合使用。

在這種情況下，鏡子的尺寸和光圈尺寸必須比遠心鏡頭大”。

模擬同軸落射照

?? 直射照明法

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

① 直射照明法--環形

由于來自環形光源（360°）的照射，可以防止陰影產生。容易安裝，設置簡單，廣泛應用于表面的劃痕檢測、污跡檢測和二維碼識別等領域。有各種角度可供選擇，從平坦發光面照射到水平于工件（被測物）照射。

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

環形、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光的照明方法。在線陣相機進行識別物體的應用中用來照亮特定需要照亮的區域。面陣相機的應用中，光線的清晰度和線性度非常好，可以從接近水平的角度進行打光，來強調和識別小的不均勻區域。根據不同的應用，可以結合使用聚光鏡、擴散器或偏光鏡。

③ 直射照明法--背光

“背光”是通過將被測物放置在鏡頭與光源之間，拍攝剪影的打光方式。主要用于檢測被測物的形狀、透明物體上的劃痕和夾雜物。由于對比度容易實現，所以可以獲得穩定的圖像。然而，由于發光面要比被測物大，后方需要更多的空間用于放置光源。為了減少環境光影響，還有一種方法是在受光側使用與遠心鏡頭的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，因為指向性固定，根據被測物的形狀，被測物某些部分被強烈反射導致亮度不均，使物體無法被識別。另外，如果該物體是一個具有弧形表面的鏡面物體，發光部分會映射在該物體中。為了解決這些問題，一般采用從不同方向打光的方式，即間接照明法。

圓頂/無影環形/無影低角度

03視野及設置光源距離

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

04 不同光源比較表