机器视觉|光源照明综述(详细版)

机器视觉系统中，视觉光源是机器视觉系统中非常重要的一部分，光源的选取与打光合理与否可直接影响至少30%的成像质量。

因此，我们本文主要介绍以下五个方面进行系统的介绍图像采集的相关照明的知识：

• 电磁辐射简介

• 光与被测物的相互作用

• 如何利用照明的光谱

• 如何利用照明的方向

• 常见光源的类型

1.电磁辐射简介

要系统的了解光源照明，就必须要了解电磁辐射，这里我们回顾一下电磁辐射的相关知识，我们都知道，光是一定波长范围内的电磁辐射。人眼可见的光称为可见光，其波长范围为380~780nm，波长比此短的称为紫外光(UV)。更短的电磁辐射为X射线和伽马射线。波长比可见光更长的光称为红外线(IR)。比红外线更长的波长为微波和无线电波。来重温一下下面的光谱表：

这里我们在科普一下色温的概念：色温是表示光线中包含颜色成分的一个计量单位。从理论上讲，色温是指绝对黑体从绝对零度(-273℃)开始加温后所呈现的颜色。黑体在受热后．逐渐由黑变红，转黄，发白，最后发出蓝色光。

当加热到一定的温度．黑体发出的光所含的光谱成分．就称为这一温度下的色温，计量单位为“K”(开尔文)、如果某一光源发出的光，与某一温度下黑体发出的光所含的光谱成分相同．即称为某K色温、如100W灯泡发出光的颜色，与绝对黑体在2527K时的颜色相同，那么这只灯泡发出的光的色温就是：2527K+ 273K=2800K。

单一波长的光我们称为单色光，对于由多个波长组成的光，我们通常将其与某一温度下黑体辐射的光谱来做比较，称为某K(开尔文)色温。如下图：不同的色温代表不同的光谱组成。

通过上面的回顾，我们了解了波长和色温的知识，那么光与被测物间到底是如何相互作用的呢？

2.光与被测物间的相互作用

彩虹是雨滴散射太阳光的神奇现象，海市蜃楼是光影反射成像的胜景，那些穿过物体的折射和反射，充满了斑驳投影的神秘，光到底是什么，光与物质到底怎么作用？

光在传播过程中与媒质相互作用而使光的性质发生了某些变化，此时光作为信息的载体分别反映了物质对光的吸收，散射和反射等能力，而吸收、散射、反射等现象正式光和物质相互作用的结果。

光与被测物体间的相互作用有多种方式，如下图：

落到物体的光用黑箭头来表示，其中：

1. 镜面反射，不多解释，入射光和反射光在同一平面，并且与法线夹角相等。

2. 漫反射，由被测物表面的粗糙程度等微粒结构决定

3. 定向透射，光线定向透过物体，由内部和表面结构决定

4. 漫透射，光线类似漫反射式的穿透物体。

5. 背反射，在两个透明介质分界面上产生的反射

6. 物体吸收，物体本身吸收部分能量

除了镜面反射外，上述的各个物理量均取决于投射到物体的光的波长，不透明物体特有的颜色就是由与波长相关的漫反射及吸收决定的。而透明物体的颜色是与波长相关的投射决定的。基本上光线与物体之间的相互作用分为以上六种。

但是实际的物体要比上述简单模型复杂的多。比如有的物体是由几层不同的材料组成的，表层对于一定波长的光透明，而反射其他波长的光，下一层又可能反射部分从上一层透过的光，因此，为实物找一个合适的光源通常需要大量的实验。

既然我们了解了光与物体的相互作用，那么我们该怎么利用光谱的特性呢？

3.如何利用照明的光谱

关于光谱的利用，我们从两个角度进行分析：光谱的吸收以及光谱的过滤。

光谱的吸收

我们知道彩色物体之所以呈现出彩色，是因为它反射了一部分光谱，而吸收了其他光谱。比方说蓝色的物体之所以呈现出蓝色，是因为该物体吸收了其他波段的光谱，而反射回来蓝色光谱，所以我们看到的该物体呈现出蓝色。那么我们可以利用这一特性，来增强我们需要的特征。

比如使用合适的照明光源使其光谱范围正好是希望看到波长范围被物体反射，不希望看到的波长范围被物体吸收。举个栗子：如果绿色背景上有红色物体，那么我们可以用红色照明，这时红色物体会更加明亮，而绿色背景将变得暗淡。为了更具体的我们看一幅图：

上图为在不同颜色的光照下的PCB电路板所呈现的图，根据上面的原理以及上面的图片可以得到，使用白光可以得到相对较好的平均对比度如上图a，而使用某一颜色的光可以显著提高一些特征的对比度，比如红色光照下，左下方的橘黄色芯片的对比度显著增加，在这种照明下，该元件就比较容易分割出来，而在蓝色光照下五个电阻中间那个浅蓝色电阻的对比度比较好。

然而，由于CCD和CMOS传感器对于红外光比较敏感，所以也常用红外光来增强某些特征，如上图，PCB的走线在红外光下比较明显，而由于走线上覆盖有无光泽的绿色阻焊剂（这里留一个问题，为什么上图中的绿光下，绿色阻焊剂没有显现出来？大家可以在文末留言交流），在可见光下则很难看到。

光谱的过滤

上面图中的效果可以通过白光加不同颜色的滤镜得到，但是白光这样被过滤，则发光效率大大降低，通常情况下是直接采用彩色照明。然而滤镜在机器视觉中的用途有很多，比如上面我们说到CCD和CMOS对红外敏感，因此常常需要加上红外截止滤光片来避免图像过亮以及图像颜色变化。反过来，如果被测物是用红外照明的，那么使用红外透射滤光片则能抑制可见光部分，而仅让红外光通过，将非常有助于得到好的图像。

还有一种非常有用的滤光片称为偏振片，光线在金属和绝缘体表面反射时光线会产生部分偏振，使得成像炫亮，这样使炫亮部分的某些特征不得显示出来。所以此时在相机前面加上偏振片并调整方向来抑制偏振光。由于非偏振光反射后只有部分偏振，所以更好的抑制某些反射的方法是首先使光线称为偏振光，然后再落到物体表面。如下图：

如上图，安装在光源前的滤光片称为起偏镜，加在摄像机前的滤光片称为检偏镜，如果将检偏镜和起偏镜正交的话，反射造成的偏振光就被检偏镜抑制了。我们来看一张效果图：

上图a为直接环形光照明下的PCB板，可看到焊点及其他金属元件的镜面反射，而使用了起偏镜和检偏镜的图像b，镜面反射则几乎全部被抑制。

在我们有效的利用照明中光谱的成分的同时，照明的方向性通常也可以用在机器视觉中来增强被测物的必要特征。

4.如何利用照明的方向

在照明系统的设计中，需要根据被测物体的大小来确定镜头的视场。然后，根据镜头视野的大小，确定好的照明系统。在系统的设计中，需要充分了解透镜到工件的距离和照明系统到工件的距离，从而确定光源到工件的距离。照明的选择取决于工件表面的形状、平整度和光洁度。好的照明颜色(红、蓝、绿、白)可以根据检测工作或检测区域的颜色来确定。一般情况下，照明系统应针对确定的成像物镜进行设计。

在介绍常见的照明组合之前，先介绍几个概念：

• 正面照明：相机和光源在物体的一侧

• 背光照明：相机和光源在物体的两侧

• 明场照明：大部分的光反射到相机里

• 暗场照明：大部分的光没有反射到相机
  上面的划分标准基本相互独立，因此常见的照明方式有以下几种组合：

明场漫射正面照明

应用：常用于防止产生阴影，并减少或防止镜面反射，也可以用于透过被测物体的透明包装等 构造：

上图a为前端安装了漫射扳的LED平板或环形光，b为在光源前安有漫射扳和45°半透半反镜的同轴漫射光，c为安装有漫射扳的半球光源，d光源是LED环形光，由半球表面作为漫射扳的半球照明。

直接明场正面照明

应用：常用于使空洞或感兴趣区域产生阴影以及会产生镜面反射的物体的图像 构造：

上图a为聚焦的环形光，b为含45°角的半透半反镜的同轴远平行照明.

直接暗场正面照明

应用：易于突出被测物的缺口及凸起，常用于划痕，纹理或雕刻文字等物体的成像 构造：

通常有LED环形光构成。

明场漫射背光照明

应用：常用于得到不透明物体的轮廓 构造：

上图a为明场漫射背光照明，这种照明通常有光源前装有漫射扳的LED平板灯或荧光灯组成；b对于厚度较大的被测物，其在摄像机一侧的部分可能产生反射。

明场平行背光照明应用：

应用：会是被测物轮廓非常锐利，配合远心镜头使用，适合测量应用。构造：

照明的目的是增强对比。工业相机中设计光源照明需要先确定区域之间的差异，然后使用光源来突出这些差异。

5.常见光源的类型

通过适当的光源照明设计，使图像中的目标信息与背景信息得到合理分离，可以大大降低图像处理算法分割、识别的难度，同时提高系统的定位、测量精度，使系统的可靠性和综合性能得到提高。反之，如果光源设计不当，会导致在图像处理算法设计和成像系统设计中事倍功半。因此，光源及光学系统设计的成败是决定系统成败的关键因素。

在介绍常见光源类型之前，先看下工业视觉光源的主要特点：

• 照亮目标，提高目标亮度；

• 突出测量特征，简化图像处理算法；

• 克服环境光的干扰，保证图像的稳定性，提高图像信噪比；

• 提高视觉系统的定位、测量、识别精度，以及系统的运行速度；

• 降低系统设计的复杂度，形成有利于图像处理的成像效果。

发光原理区分

光源的类型从发光原理上区分，常用光源的类型以及不同光源的特点如下：

• 白炽灯
  原理：灯丝中传输电流产生光 色温：3000K~3400K优点：亮度高，产生连续光谱以及工作电压低等 缺点：发热严重，寿命短，不能用作闪光灯，随着老化亮度下降。

• 氙气灯
  原理：氙气被电离产生光 色温：5500K~12000K优点：亮度高，可做闪光灯 缺点：供电复杂昂贵，几百万次闪光后出现老化

• 荧光灯
  原理：电流激发水银蒸汽产生紫外辐射，紫外辐射使得管壁磷盐涂层发荧光 色温：3000K~6000K优点：价格便宜，照明面积大 缺点：寿命短，老化快，光谱不均匀，不能用作闪光灯

• 发光二极管(LED) 原理：电流激发半导体发光 色温：类似单色光 优点：寿命长，可做闪光灯，直流供电，亮度可控，功耗小，发热低 缺点：性能与环境温度有关

以上四种光源为图像处理常用的光源，那么我们该如何选择光源呢？要想知道如何选择光源，除了根据项目的应用场景，光源的优缺点，我们还得考虑光源与被测物体间的相互作用，根据不同的被测物体，选择具体的光源。

应用角度区分

光源的类型从应用角度上区分，常用光源的类型以及不同光源的特点如下：

• 环形光源
  环形光源提供不同照射角度、不同颜色组合，更能突出物体的三维信息；高密度LED阵列，高亮度；多种紧凑设计，节省安装空间；解决对角照射阴影问题；可选配漫射板导光，光线均匀扩散。应用领域:PCB基板检测，IC元件检测，显微镜照明，液晶校正，塑胶容器检测，集成电路印字检查。

• 背光源
  用高密度LED阵列面提供高强度背光照明，能突出物体的外形轮廓特征，尤其适合作为显微镜的载物台。红白两用背光源、红蓝多用背光源，能调配出不同颜色，满足不同被测物多色要求。应用领域:机械零件尺寸的测量，电子元件、IC的外型检测，胶片污点检测，透明物体划痕检测等。

• 条形光源
  条形光源是较大方形结构被测物的优选光源；颜色可根据需求搭配，自由组合；照射角度与安装随意可调。应用领域:金属表面检查，图像扫描，表面裂缝检测，LCD面板检测等。

• 同轴光源
  同轴光源可以消除物体表面不平整引起的阴影，从而减少干扰；部分采用分光镜设计，减少光损失，提高成像清晰度，均匀照射物体表面。应用领域:系列光源适宜用于反射度极高的物体，如金属、玻璃、胶片、晶片等表面的划伤检测，芯片和硅晶片的破损检测，Mark点定位，包装条码识别。

• 点光源
  大功率LED，体积小，发光强度高；光纤卤素灯的替代品，尤其适合作为镜头的同轴光源等；高效散热装置，大大提高光源的使用寿命。应用领域:适合远心镜头使用，用于芯片检测，Mark点定位，晶片及液晶玻璃底基校正。

• 组合条形光源
  四边配置条形光，每边照明独立可控；可根据被测物要求调整所需照明角度，适用性广。应用案例:CB基板检测，IC元件检测，焊锡检查，Mark点定位，显微镜照明，包装条码照明，球形物体照明等。

• 对位光源
  对位速度快；视场大；精度高；体积小，便于检测集成；亮度高，可选配辅助环形光源。应用领域:VA系列光源是全自动电路板印刷机对位的专用光源。

6.小结

机器视觉中照明的目的是使被测物的重要特征显现，而抑制不需要的特征。为了达到此目的，我们需要考虑光源与被测物之间的相互作用。其中一个重要的因素就是光源和被测物的光谱的组成。我们可以用单色光照射彩色物体以增强被测物相应特征的对比度。照明的角度可以增强某些特征等。

本文我们从电磁辐射说起，回顾了波长以及色温的概念，学习了光源的类型，光源与物体的作用方式，如何利用光谱以及几种常见的照明方式，希望大家通过本文能了解机器视觉中相关照明的知识。欢迎大家文末留言交流。

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