概述

选择合适的打光方案是机器视觉检测案例成败的关键。要设计有效的视觉照明解决方案，您需要对检测物品进行彻底的分析，包括样品展示和样品/照明之间的相互作用。

设计并遵循严格的照明分析顺序，可提供一致且稳健的环境，从而最大限度地节省时间、精力和资源，更好地用于视觉系统设计、测试和实施的其他关键环节。

介绍

在视觉系统的设计和实施过程中，也许没有任何其他方面比照明更容易造成周期延误、成本超支的普遍困扰了。市场上的光源各种各样，那我们如何选择合适的光源呢？

本文总结提出一种开发适合样本的照明的标准方法，而不是停留在理论处理上。主要包括以下几个方面：

了解照明类型和应用优缺点、视觉相机和传感器量子效率和光谱范围、照明技术及其与表面平整度和表面反射率相关的应用领域

熟悉视觉照明的四个基石：几何形状、图案或结构、波长和滤光片

详细分析即时检测环境（物理限制和要求）以及针对您独特样品的样品/光相互作用

在积累和分析了这些方面的信息后，再结合具体的样品和检测要求，就能选择合适的光源，光源选择始终满足三项验收标准：

最大化那些感兴趣的特征的对比度

最小化其他地方的对比度

提供稳健性衡量标准

每次检测项目都不尽相同，因此，举例来说，只有在部件尺寸、形状、方向、位置或环境变量（如环境光）不存在不一致的情况下，符合符合以上标准的方案才是最有效的方案。

上图为一包包装显示打光案例，上边的打光效果符合所有三项验收标准，而下边的效果只符合标准一和标准二。在这种情况下，褶皱并不妨碍条形码的正确读取。但是，如果下一包产品的褶皱位置不同呢？

光源与光谱

现在机器视觉中常用的光源有荧光灯、石英卤素灯、LED、金属卤化物（汞）和氙气。

荧光灯、石英卤素灯和发光二极管是机器视觉领域使用最广泛的照明类型，尤其适用于中小型检测站。

金属卤化物、氙气和高压钠灯通常用于大规模应用或需要非常明亮光源的领域。

金属卤化物（也称为汞）通常用于显微镜，因为它有许多离散的波长峰，可与荧光研究中使用的滤光片相辅相成。

氙灯光源适用于需要非常明亮的频闪灯的应用。

上图显示了荧光灯、石英卤素灯和 LED 灯的优缺点，以及应用于机器视觉的相关选择标准。例如，LED 照明的预期寿命更长，而石英卤素灯照明可能是特定检测的选择，因为它的强度更大。

一直以来，荧光灯和石英卤素灯是最常用的照明光源。近年来，LED 技术在稳定性、强度和成本效益方面都有所改进，但对于大面积照明而言，其成本效益仍然较低，尤其是与荧光灯源相比。不过，如果应用灵活性、输出稳定性和使用寿命是重要参数，那么 LED 照明可能更合适。大多数视觉专家都认为，一种光源无法充分解决所有照明问题。

不仅要考虑光源的亮度，还要考虑其光谱含量。例如，显微镜应用通常使用全光谱石英卤素、氙气或汞光源，尤其是在彩色成像时；不过，单色 LED 光源也适用于黑白 CCD 相机，而且随着 "全彩-RGB "和白光 LED 光头的出现，现在也适用于彩色应用。

在高速检测等需要高光强的应用中，将光源的光谱输出与特定视觉相机的光谱灵敏度相匹配可能非常有用。例如，与电荷耦合器件 (CCD) 相机相比，基于 CMOS 传感器的相机对红外更敏感，因此在使用红外 LED 或红外光强的钨光源时，在光源不足的检测设置中具有明显的灵敏度优势。

基础原则：

尽量使传感器的峰值灵敏度与光源的峰值波长相匹配，以充分利用其输出。

窄波长光源（如单色 LED 或汞灯）与窄通滤光片匹配时，有利于通过波长。例如，红色 660 纳米带通滤光片与红色 LED 光匹配后，可有效阻挡工厂地面上来自高空荧光灯或汞光源的环境光。

环境光的原始强度和宽带光谱含量会让人对任何视觉检测结果产生怀疑--请使用不透明的外壳。

打光时重点考虑以下四个要素：

几何布局 - 样品、光线和相机之间的三维空间关系

结构或图案--投射到样品上的光线的形状

波长或颜色-光线如何被样品及其直接背景不同程度地反射或吸收

滤光片--不同波长或光方向的阻挡和通过

要达到评估视觉打光三项验收标准，了解如何利用四大基石来操作和增强样品对比度至关重要。通过几何图形改变对比度需要移动样品、灯光和相机的位置，直到找到合适的配置。

例如，同轴环形灯（安装在相机周围）可能会在半反射条形码表面产生热点眩光，但只需将灯移至轴外，热点眩光也会移出相机的视野。通过投射到样品上的光的结构或形状而产生的对比度变化通常与光头或照明技术有关（请参阅本系列第二部分的照明技术部分）。通过颜色照明产生的对比度变化与不同颜色的吸收率和反射率有关（请参阅 "样品/光的相互作用"）。

打光方案的注意事项

在确定打光方案时需要评估两个方面：（1）即时检查环境和（2）样品/光相互作用

即时检查环境

在三维空间中，充分了解直接检测区域的物理要求和限制至关重要。特别是，根据具体的检测要求，使用机器人拾放设备或预先存在但必要的支撑结构，可能会严重限制有效照明解决方案的选择，因为这不仅会在照明类型上，而且会在其几何形状、工作距离、强度和模式上造成妥协。例如，您可能会确定需要使用漫射光源，但由于近距离、自上而下的通道有限而无法使用。高速生产线上的检测可能需要强烈的连续光或频闪灯来冻结运动，当然，大型物体对照明提出了完全不同的挑战。此外，一致的零件摆放和展示也很重要，特别是要看检查的是哪些特征；不过，如果充分理解了这一点，作为最后的手段，甚至可以针对零件摆放和展示的不一致开发照明。

环境光

环境光输入会对检测质量和一致性产生巨大影响，尤其是在使用白光等多光谱光源时。最常见的环境光源是工厂的顶灯和阳光，但偶尔来自其他检测站甚至同一工作单元中的其他检测站的特定视觉任务照明也会产生影响。

处理环境光有三种有效方法：

(1) 短脉冲高功率频闪，

(2) 物理遮蔽，

(3) 通滤器。

采用哪种方法取决于许多因素，其中大部分将在后面的章节中详细讨论。大功率频闪可以简单地压倒和冲淡环境光源，但在人体工程学、成本和实施难度方面存在缺点，而且并非所有光源（如荧光灯）都可以采用频闪。如果不能使用频闪，而且应用要求使用彩色摄像机，则需要使用多光谱白光来实现准确的色彩再现和平衡。在这种情况下，窄波长滤光片是无效的，因为它会阻挡大部分的白光，因此外壳是最好的选择。

不过，这一一般规则也有例外。例如，700 纳米短通滤镜（又称红外阻断器）是彩色相机的标准配置，因为红外成分会改变色彩的准确性和平衡，尤其是绿色通道。下图展示了使用通滤器如何非常有效地阻挡环境光，尤其是当相关光为低产荧光时。

上图显示的是使用紫外环形光源的尼龙螺母，但红色 660 纳米的 "环境 "光源却将其淹没。目的是确定是否存在尼龙。由于环境光的影响较大，很难从相对低产的样品蓝色荧光中获得足够的对比度。

采用了相同的照明，只是在相机镜头上安装了一个 510 纳米的短通滤光片，有效地阻挡了红色 "环境 "光，使 450 纳米的蓝光得以通过。

样品/光相互作用

样品表面如何与特定任务光和环境光相互作用与许多因素有关，包括表面整体形状、几何形状和反射率以及其成分、地形和颜色。这些因素的某种组合决定了有多少光以何种方式反射到相机，随后可用于采集、处理和测量。例如，弯曲的镜面（如汽水罐底部）反射定向光源的方式与平坦的漫射表面（如复印纸）不同。

同样，表面（如组装的 PCB）的反射方式与平坦但有细纹理或凹坑的表面不同，具体取决于光的类型和几何形状。

左侧的 2D 点阵矩阵代码由明场环形光照射。右侧则由低角度线性暗场光成像。

色彩分析

材料对各种波长的光的反射和/或吸收存在差异，这种效果对黑白和彩色成像空间都有效。同色系的光线反射会使表面变亮；相反，相反的颜色吸收会使表面变暗。使用暖色和冷色的简单色轮，您可以在零件和其背景之间产生差异对比度，

甚至可以在给定有限的已知调色板的情况下使用黑白相机区分彩色零件。

(a) 白光和彩色 CCD 相机；(b) 白光和黑白相机；(c) 红光，使红色和黄色变亮，蓝色变暗；(d) 红光和绿光，产生黄色，使黄色比红色更亮；(e) 绿光，使绿色和蓝色变亮，红色变暗；(f) 蓝光，使蓝色变亮，使其他颜色变暗。

样品成分和透射率

样品成分会极大地影响照射到部件上的任务照明。有些塑料可能只透射某些波长范围的光，否则是不透明的；有些塑料可能不会透射光，而是在内部散射光；还有一些塑料可能只吸收光，然后以相同波长或不同波长重新发射光（荧光）。荧光标签和染料也常用于印刷行业的油墨中。

机油瓶用 660 nm 红色环形灯照射

右侧的机油瓶用 360 nm 紫外线荧光灯照射

首先，红外光可有效消除基于颜色的对比度差异，主要是因为红外光的反射更多地基于样品成分而非颜色差异。当需要较低对比度（通常基于白光的颜色反射）时，可以使用此特性

左侧为光泽纸样品在漫射白光下的情况。右侧为光泽纸样品在漫射红外光下的情况

红外光在穿透聚合物材料方面比短波长（例如紫外线或蓝光，甚至在某些情况下比红光）更有效。相反，正是由于缺乏穿透深度，蓝光更适合用于成像黑色橡胶化合物或激光蚀刻的浅表面特征。

在装配好的 PCB 中，红光的穿透力为 660 nm（左图），红外光的穿透力为 880 nm。请注意，尽管红光从电路板顶部中心的孔中溢出，但红外光的穿透力更好。

偏振滤光片成对使用时，一个位于光源和样品之间，另一个位于样品和相机之间，通常通过螺纹固定在镜头上，可用于检测透明样品中的结构晶格损伤。

左侧为带有红色背光的透明塑料六罐罐架。右侧为相同图片，但增加了一对偏振器

（a）不带偏光镜的同轴环形灯。（b）带偏光镜的同轴环形灯（注意一些残留眩光）。（c）不带偏光镜的离轴（光轴平行于样品长轴）环形灯。（d）不带偏光镜的同轴环形灯。（e）带偏光镜的同轴环形灯（注意：2 ½ f 档开口）

 所示的图像展示了偏振滤光片在阻挡眩光方面的中等效果和高度效果。在图 所示的样品中，您可以看到从曲面（例如此个人护理产品瓶）反射的眩光可以控制但不能完全消除（参见图 b 中心区域）。这是因为定向光源会在曲面上产生多个反射方向，而偏振滤光片无法同时阻挡所有振动方向，因此总会留下一些晕影。在这种情况下，如果可以灵活控制眩光，更有效的眩光控制方法是重新考虑照明几何形状。只需将光线从镜头周围的同轴位置移动到相对高角度但离轴的位置，就可以完全消除所有镜面反射。相反，对于图 d-e 所示的相对平坦且平面的罐子顶面，您可以很大程度上消除镜面眩光，从而产生清晰的图像以供检查。然而，使用双偏振器的一个缺点是它们会大大减少允许的光量 - 在罐盖示例中最多可减少 2 ½ 档光圈，这对于高速、光线不足的检查可能是有害的。

照明技术

照明技术包括背光、漫射（也称为全明场）照明、明场（实际上是部分明场或定向）照明和暗场照明。

某些技术的应用需要特定的光线和几何形状，或相机、样品和光线的相对位置，而其他技术则不需要。例如，标准明场条形光也可以用于暗场模式；而漫射光则专门用于暗场模式。

大多数视觉照明产品制造商也提供在同一光源中采用各种技术组合的光源，至少在基于 LED 的光源中，每种技术都可以单独寻址。这种情况允许更大的灵活性，并且当可以在一个站点而不是两个站点中完成许多不同的检查时，还可以降低潜在成本。如果充分了解每种照明技术的应用条件和限制，以及检查环境和样品/光相互作用的复杂性，就有可能开发出满足三个验收标准的有效照明解决方案。

背光

背光可产生即时对比度，因为它会在明亮的背景下产生深色轮廓。最常见的用途是检测孔和间隙的存在/不存在、零件放置或定位，或测量物体。如果需要精确（子像素）边缘检测，通常使用具有光控制偏振的单色光（例如红色、绿色或蓝色）很有用。

漫射（全亮场）照明

漫射或全明场照明最常用于需要均匀但多向光的闪亮镜面或混合反射率样品。漫射照明有几种实现方式，但主要有三种类型（，其中半球形圆顶/圆柱体或轴上照明最为常见。

漫射圆顶灯可有效照亮弯曲的镜面，例如汽车行业中常见的镜面。轴上灯对平面样品的作用方式类似，尤其可有效增强相对平坦物体上的不同角度、纹理或地形特征。为了有效，漫射灯（尤其是圆顶灯）需要靠近样品。

轴向漫射照明的一个有用特性是，在这种情况下，您实际上可以利用眩光，而不是拒绝或避免镜面眩光，如果可以专门隔离眩光以唯一地定义一致和稳健检查所需的感兴趣特征。

部分明场或定向照明

部分明场照明是最常用的视觉照明技术，也是日常使用最广泛的照明，包括阳光。这种类型的照明与全明场照明的区别在于，它是定向的，通常来自点源，由于其定向性，它是产生对比度和增强地形细节的好选择。然而，当与镜面同轴使用时，它的效果要差得多，会产生常见的“热点”反射。

暗场照明

暗场照明可能是所有技术中最不为人熟知的，尽管您在日常生活中确实会使用这些技术。例如，汽车前灯的使用依赖于以低角度照射在路面上的光线，从路面上的小瑕疵反射回来，以及附近的物体。

明场与暗场

下图说明了镜面上圆形定向（部分明场）和圆形暗场光的实现和结果的差异。

镜子的明场图像

镜子的暗场图像（注意划痕）

暗场照明的有效应用依赖于这样一个事实：入射到镜面的光线大部分会以热点眩光的形式充斥整个场景，而这些光线会被反射回相机，而不是朝向相机。反射回相机的光线相对较少，恰好可以捕捉到表面上小特征的边缘，满足“反射角等于入射角”等式

左侧的花生糖袋位于明场环形灯下。右侧的花生糖袋位于暗场环形灯下 — 请注意，接缝非常明显

光照选择分析顺序

以下照明分析顺序假设您具备照明类型、相机灵敏度和光学方面的工作知识，并熟悉照明技术和视觉照明的四个专责。您可以将其用作核对清单，但它绝不是全面的。但是，它确实为标准化方法提供了良好的工作基础，您可以根据检查要求对其进行修改和/或扩展。

1.立即检查物理环境

操作员交互时采用人在回路吗？

与频闪或强光照明应用相关的安全性？

样本静止、移动、还是索引？

如果移动或索引，速度、进给和预期循环时间？

频闪？预期脉冲率、准时性和占空比？

是否有持续振动或者冲击振动？

该部件的方向和位置是否一致？

是否存在环境光污染的可能性？

 在 3D 空间 (工作空间) 中相机、镜头和照明

工作体积的大小和形状

最小和最大相机、照明工作距离和视野

物理约束

零件特性

人体工程学与安全性

2.样品/光相互作用

来自高架或操作站照明的环境光贡献？

来自另一个检查站的轻微污染？

来自同一检查站的轻微污染？

金属、非金属、混合、聚合物？

零件颜色与背景颜色

透明、半透明还是不透明——红外传输？

紫外线染料，还是荧光聚合物？

反射率——漫反射、镜面反射还是混合反射？

整体几何形状——平面、曲面还是混合面？

纹理——光滑、抛光、粗糙、不规则、多重？

地形——平坦、有多个高程、角度？

需要光强度吗？

样品表面

构图和色彩

轻度污染

3.感兴趣的特征

4.运用照明的四大准则

灯光——相机样本几何问题

光型问题

样本与背景之间的颜色差异

适用于短通、长通或带通应用的滤波器（包括偏振）

5.照明技术和类型知识

荧光灯、石英卤素灯、LED 灯以及其他灯

明场、暗场、漫射或背光

视觉相机和传感器的量子效率和光谱范围

这种深入分析通常会导致看似矛盾的方向，因此需要做出妥协。例如，详细的样品/光相互作用分析可能表明使用暗场照明技术，但检测环境分析表明光必须远离部件。在这种情况下，采用暗场配置的更强烈的线性条形光可能会产生您想要的对比度，但可能需要更多的图像后处理。

无论分析和理解水平如何，通常都无法替代首先在工作台上实际测试两三种灯光类型和技术，然后在可能的情况下在实际车间实施。当从头开始设计视觉检测和零件处理/展示时，最好先制定照明解决方案，然后根据照明要求构建其余的检测。

本文目的是帮助您找到最佳照明解决方案，该解决方案考虑并平衡了人体工程学、成本、效率和一致应用等问题。这可以帮助您更好地分配时间、精力和资源——这些项目可以更好地用于视觉系统设计、测试和实施的其他关键方面。