一文详解机器视觉的照明技术

1. 光源的作用

选择正确的照明是机器视觉系统应用成功与否的关键，光源直接影响到图像的质量，进而影响到系统的性能。

光源的作用，就是获得对比鲜明的图像，具体来说：

①将感兴趣部分和其他部分的灰度值差异加大；

②尽量消隐不感兴趣部分；

③提高信噪比，利于图像处理；

④减少因材质、照射角度对成像的影响。

适当的照明设计，能使图像中的目标信息与背景信息得到最佳分离，以降低图像处理算法的难度，提高系统的可靠性和综合性能；好的设计能够改善整个系统的分辨率，简化软件的运算，它直接关系到整个系统的成败。

不合适的照明，则会引起很多问题，例如花点和过度曝光会隐藏很多重要信息；阴影会引起边缘的误检；而信噪比的降低以及不均匀的照明会导致图像处理阈值选择的困难。

对于每种不同的检测对象，必须采用不同的照明方式才能突出被检测对象的特征，有时可能需要采取几种方式的结合，而最佳的照明方法和光源的选择往往需要大量的试验，才能找到。

光源设计，不仅需要调整光源本身的参数，而且需要考虑应用场合的环境因素和被测物的光学属性。

通常，光源系统设计可控制的参数有：

①方向（Direction）：主要有直射（Directed）和散射（Diffuse）两种方式，其主要取决于光源类型和放置位置。

②光谱（Spectrum）：即光的颜色，其主要取决于光源类型和光源或镜头的滤光片性能。光源的光谱用色温进行度量，色温是指当某一种光源的光谱分布与某一温度下的完全辐射体（黑体）的光谱分布相同时完全辐射体的温度。

③极性（Polarization）：即光波的极性，镜面反射光有极性，而漫反射光没有极性。

④强度（Intensity）：光强不够会降低图像的对比度，而光强过大，则功耗大，并且需散热处理。

⑤均匀性（Uniformity）：机器视觉系统的基本要求，随距离和角度变化，光强会衰减。

2. 选择光源应考虑的系统特性

判断机器视觉的照明的优劣，首先必须了解什么是光源需要做到的。光源应该不仅仅是使检测部件能够被摄像头“看见”。有时候，一个完整的机器视觉系统无法支持工作，但是仅仅优化一下光源就可以使系统正常工作。选择光源时，应该考虑如下系统特性。

2.1 对比度

对比度对机器视觉来说非常重要。机器视觉应用的照明的最重要的任务就是使需要被观察的特征与需要被忽略的图像特征之间产生最大的对比度，从而易于特征的区分。对比度定义为在特征与其周围的区域之间有足够的灰度量区别。好的照明应该能够保证需要检测的特征突出于其他背景。

光源的位置对获取高对比度的图像很重要。光源的目标是要达到使感兴趣的特征与其周围的背景对光源的反射不同。预测光源如何在物体表面反射就可以决定出光源的位置。

2.2 亮度

当选择两种光源的时候，最佳的选择是选择更亮的那个。当光源不够亮时，可能有三种不好的情况出现。第一，相机的信噪比不够；由于光源的亮度不够，图像的对比度必然不够，在图像上出现噪声的可能性也随即增大。其次，光源的亮度不够，必然要加大光圈，从而减小了景深。另外，当光源的亮度不够的时候，自然光等随机光对系统的影响会最大。

2.3 鲁棒性

测试好光源的方法是看光源是否对部件的位置敏感度最小。当光源放置在摄像头视野的不同区域或不同角度时，结果图像应该不会随之变化。方向性很强的光源，增大了对高亮区域的镜面反射发生的可能性，这不利于后面的特征提取。在很多情况下，合适的光源需要在实际工作中与其在实验室中有相同的效果。

合适的光源能够使需要寻找的特征非常明显，除了摄像头能够拍摄到部件外，合适的光源应该能够产生最大的对比度、亮度足够，且对部件的位置变化不敏感。

机器视觉应用关心的是反射光（使用背光除外）。物体表面的几何形状、光泽及颜色决定了光在物体表面如何反射。

机器视觉应用的光源控制的诀窍归结到一点就是如何控制光源反射。如果能够控制好光源的反射，那么就可以获得优质的图像。

2.4 光源可预测

当光源入射到物体表面的时候，光源的反映是可以预测的。光源可能被吸收或被反射。光可能被完全吸收（黑金属材料，表面难以照亮）或者被部分吸收（造成了颜色的变化及亮度的不同）。不被吸收的光就会被反射，入射光的角度等于反射光的角度，这个定律大大简化了机器视觉光源，因为理想的效果可以通过控制光源来实现。

2.5 物体表面

如果光源按照可预测的方式传播，使机器视觉照明复杂化的原因是物体表面的变化。如果所有物体表面是相同的，在解决实际应用的时候就没有必要采用不同的光源技术了。但由于物体表面的不同，因此需要研究视野中的物体表面材料，并分析光源入射的反映。

2.6 控制反射

如果反射光可以控制，图像的优劣与否就可以控制了。因此在涉及机器视觉应用的光源设计时，最重要的原则就是控制好哪里的光源反射到透镜及反射的程度。

机器视觉的光源设计就是对反射的研究。

在视觉应用中，当观测一个物体以决定需要什么样的光源的时候，首先需要问这样的问题：“如何才能让物体显现？”“如何才能应用光源使必需的光反射到镜头中以获得物体外表？”

影响反射效果的因素有：光源的位置，物体表面的纹理，物体表面的几何形状及光源的均匀性。

2.7 表面纹理

物体表面可能高度反射（镜面反射）或者高度漫反射。决定物体是镜面反射还是漫反射的主要因素是物体表面的光滑度。一个漫反射的表面，如一张不光滑的纸张，有着复杂的表面角度，用显微镜观看的时候显得很明亮，这是由于物体表面角度的变化而造成了光源照射到物体表面而被分散开了；而一张光滑的纸张有光滑的表面而减小了物体表面的角度。光源照射到表面并按照入射角反射。

2.8 表面形状

一个球形表面反射光源的方式与平面物体是不相同的。物体表面的形状越复杂，其表面的光源变化也随之而复杂。对应一个抛光的镜面表面，光源需要在不同的角度照射。从不同角度照射可以减小光影。

2.9 光源均匀性

均匀的光源会补偿物体表面的角度变化，即使物体表面的几何形状不同，光源在各部分的反射也是均匀的。不均匀的光会造成不均匀的反射。

均匀关系到三个方面。

第一，对于视野，在摄像头视野范围部分应该是均匀的。简单地说，图像中暗的区域就是缺少反射光，而亮点就是此处反射太强了。

第二，不均匀的光会使视野范围内部分区域的光比其他区域多。从而造成物体表面反射不均匀（假设物体表面的对光的反射是相同的）。

第三，均匀的光源会补偿物体表面的角度变化，即使物体表面的几何形状不同，光源在各部分的反射也是均匀的。

3. 灰度照明技术

在实际工作中，拍摄图像时，最重要的是如何鲜明地获得被测物与背景的明暗差异。目前，在图像处理领域最常用的方法是二值化（黑白）处理。

二值化处理，俗称黑白处理，就是将图像上的点的灰度设置为0或255，也就是说整个图像呈现出明显的黑白效果，即将256个亮度等级的灰度图像通过适当的阈值选取而获得仍然可以反映图像整体和局部特征的二值化图像。在数字图像处理中，二值图像占有非常重要的地位。要进行二值图像的处理与分析，首先要把灰度图像二值化，得到二值化图像，这样再对图像做进一步处理时，图像的集合性质只与像素值为0或255的点的位置有关，不再涉及像素的多级值，使处理变得简单，而且数据的处理和压缩量小。

为了得到理想的二值图像，一般采用阈值法。所有灰度大于或等于阈值的像素被判定为属于特定物体，其灰度值为255表示；否则这些像素点被排除在物体区域以外，灰度值为0，表示背景或者例外的物体区域。如果某特定物体在内部有均匀一致的灰度值，并且其处在一个具有其他等级灰度值的均匀背景下，使用阈值法就可以得到比较好的分割效果。如果物体同背景的差别表现不在灰度值上（比如纹理不同），可以将这个差别特征转换为灰度的差别，然后利用阈值选取技术来分割该图像，动态调节阈值实现图像的二值化，可动态观察其分割图像的具体结果。

3.1 直射和漫射照明

灰度照明分为直射照明和漫射照明两种。

所谓直射照明就是光源的反射光直接进入相机镜头，而漫射照明，亦称散乱光照明，就是光源的反射光不直接进入镜头，而是经过多级反射后进入镜头。

两种照明的光路具体形式如图1所示。

图1：直射照明和漫射照明

而对于同一个物体的拍摄，在直射照明和漫射照明两种照明条件之下所得到的图像差别是比较大的。如图2所示，为同一物体在直射和漫射两种照明方式下所获得的图像。

图2：同一物体在直射和漫射两种照明方式下所获得的图像

3.2 背向照明和前向照明

机器视觉照明系统中，照明方式大体上可以分为背向照明和前向照明两大类。

背向照明，即透射照明，是将光源置于物体的后面，这种照明方式能突出不透明物体的阴影或观察透明物体的内部，一些被检测物件，经过透射照明得到的图像，更容易从背景图像中分离出所需要的目标特征。

而前向照明，是将光源置于物体的前面，主要是照射物体的表面缺陷、表面划痕和重要的细节特征。

图3：前向照明和背向照明的原理图。

图3显示的是前向照明和背向照明的原理图

透射照明是将被测物体置于相机和光源之间，优点在于可将被测物体的边缘轮廓清晰地勾勒出来。由于在图像中，被测物被遮挡的部分为黑色，未被遮挡的部分为白色，因此，形成了黑白分明易于分析的图像。

透射照明还可分中心照明和斜射照明两种形式。

①中心照明：这是最常用的透射式照明法，其特点是照明光束的中轴与相机的光轴同在一条直线上。

②斜射照明：这种照明光束的中轴与相机的光轴不在一条直线上，而是与光轴形成一定的角度斜照在物体上，因此成斜射照明。

4. 彩色照明技术

4.1 光的三原色和色彩的三原色

光的三原色为：R（红色）、G（绿色）和B（蓝色）。而色彩三原色为：C（青色）、M（品红）和Y（黄色）。光的三原色和色彩的三原色之间呈互补关系，如图4所示。

图4：色彩的互补

彩色照明，是利用光的三原色和色彩的三原色之互补关系原理的照明技术。

光的三原色是红、绿、蓝，即RGB这三种颜色的组合，形成几乎所有的颜色。将这三种原色依次叠加，光线会越加越亮，两两混合可以得到更亮的中间色。三种等量组合可以得到白色。

（R）+（G）=（Y）；

（G）+（B）=（C）；

（R）+（B）=（M）；

（R）+（G）+（B）=（W）。

颜色是物体的化学结构所固有的光学特性。一切物体呈色都是通过对光的客观反映而实现的。

所谓“减色”，是指加入一种原色色料就会减去入射光中的一种原色色光（补色光）。因此，在色料混合时，从复色光中减去一种或几种单色光，呈现另一种颜色的方法称为减色法。如图5所示。

图5：色彩减色原理图

当一束白光照射品红滤色片时，如图5（a）所示。根据补色的性质，品红滤色片吸收了R、G、B三色中G，而将剩余R和B透射出来，从而呈现了品红色。

图5（b）为青和品红二原色色料等比例叠加的情况，当白光照射青、品红滤色片时，青滤色片吸收了R，品红滤色片吸收了G，最后只剩下了B，也就是说，青色和品红色色料等比例混合呈现出蓝色，表达式为：（C）+（M）=（B）。

同样，青、黄二原色色料等比例混合得到绿色，即（C）+（Y）=（G）；品红、黄二原色色料等量混合得到红色，即（M）+（Y）=（R）。

而青、品红、黄三种原色色料等比例混合就得到黑色，即（C）+（M）+（Y）=（Bk）。若先将黄色与品红色混合得到中间色红色，然后再与青色混合，上式可以写成：（R）+（C）=（Bk）。

类似两种色料相混合成为黑色，这两种色料称为互补色料，这两种颜色称为互补色。其意义在于给青色补充一个红色可以得到黑色；反之，给红色补充一个青色亦成为黑色。除了红、青两色是一对互补色外，在色料中，品红与绿，黄与蓝也各是一对互补色。由于三原色比例的多种变化，构成补色关系的颜色有很多，并不仅限于以上几对，只要两种色料混合后形成黑色，就是一对互补色料。任何色料都有其对应的补色料。

不同的物体在白光下呈现不同的颜色，是由于不透明的物体在白光照射之下仅选择性地反射某些颜色，而透明体则仅能选择性的透过某些颜色，其他的色光在反射与透射的过程中均被物体吸收了。因此当这些反射光或透射光进入人的眼睛，就能看见物体呈现相应的颜色。也正是由于物体对不同色光选择性的反射、透射与吸收，一旦白光中混入其他色光不仅会造成偏色，还会改变景物或图片中影调与色调的分布。例如，一旦白光中混入蓝光，蓝色物体由于将额外的蓝光反射出来，显得更鲜艳明亮，而红色物体由于将蓝光吸收，颜色将更灰暗。

4.2 颜色的反射与吸收

自然界的物体，每一种都呈现一定的颜色。这些颜色是由于光作用于物体才产生的。如果没有光，人就无法看到任何物体的颜色。因此，有光的存在，才有物体颜色的体现。

从颜色角度来看，所有物体可以分成两类：一类是能向周围空间辐射光能量的自发光体，即光源，其颜色决定于它所发出光的光谱成分；另一类是不发光体，其本身不能辐射光能量，但能不同程度地吸收、反射或透射投射其上的光能量而呈现颜色。

无论哪一种物体，只要受到外来光波的照射，光就会和组成物体的物质微粒发生作用。由于组成物质的分子和分子间的结构不同，使入射的光分成几个部分：一部分被物体吸收，一部分被物体反射，再一部分穿透物体，继续传播。

4.2.1 透射

透射是入射光经过折射穿过物体后的出射现象。被透射的物体为透明体或半透明体，如玻璃，滤色片等。若透明体是无色的，除少数光被反射外，大多数光均透过物体。

为了表示透明体透过光的程度，通常用入射光通量与透过后的光通量之比τ来表征物体的透光性质，τ称为光透射率。

从色彩的观点来说，每一个透明体都能够用光谱透射率分布曲线来描述，此光谱透射率分布曲线为一相对值分布。

通常在测量透射样品的光谱透射率时，还应以与样品相同厚度的空气层或参比液作为标准进行比较测量。

4.2.2 吸收

物体对光的吸收有两种形式：如果物体对入射白光中所有波长的光都等量吸收，称为非选择性吸收。例如白光通过灰色滤色片时，一部分白光被等量吸收，使白光能量减弱而变暗。

如果物体对入射光中某些色光比其他波长的色光吸收程度大，或者对某些色光根本不吸收，这种不等量地吸收入射光称为选择性吸收。物体呈现特殊颜色是因为其表面反射光线的结果，反射光的波长使观察者产生了相应的颜色视觉，而其余所有光线被物体吸收。例如，蓝色物体反射蓝色光，吸收红、橙、绿和紫等其余大多数光波。红色物体反射红色光吸收橙、黄、绿、蓝和紫色光，如图6所示。

图6：光的吸收与反射

另外表达物体色彩的重要因素是颜色状态和表面效果。比如，物体可以呈球面或平面，阴暗或明亮，透明、不透明或半透明。还可具有金属光泽、珠光、荧光的或磷光的效果。观察角度变化色彩效果也不同。

4.2.3 反射

这里所说的反射是指选择反射，非透明体受到光照射后，由于其表面分子结构差异而形成选择性吸收，从而将可见光谱中某一部分波长的辐射能吸收了，而将剩余的色光反射出来，这种物体称为非透过体或反射体。

不透明体反射光的程度，可用光反射率ρ来表示。光反射率可以定义为：被物体表面反射的光通量与入射到物体表面的光通量之比。

从色彩的观点来说，每一个反射物体对光的反射效应，能够以光谱反射率分布曲线来描述。光谱反射率定义为：在波长λ的光照射下，样品表面反射的光通量与入射光通量之比。

物体对光的反射有三种形式：理想镜面的全反射、粗糙表面的漫反射及半光泽表面的吸收反射。

理想的镜面能够反射全部的入射光，但以镜面反射角的方向定向反射。完全漫反射体朝各个方向反射光的亮度是相等的。实际生活中绝大多数彩色物体表面，既不是理想镜面，也不是完全漫反射体，而是居二者之中，称为半光泽表面。

在机器视觉的照明方式中，运用彩色照明恰到好处，往往能够起到特别的帮助。巧妙地选择照明色及运用补色的手法，可对难以拍摄的物体取得优质的图像。

例如，为检验晶片的破损，在红光和绿光两种彩色照明的条件下会得到相差较大的效果。图7（a）为红光照明下所得到的图像，晶片中导线模糊一片。而图7（b）为绿光照明下所得到的图像，晶片上的导线清晰可见，从而得到预想的效果。

图7：用红光（左）和绿光（右）检查晶片

4.3 显色性

显色性，表示某光源照射到物体上所显出来的颜色与太阳光照射下该物体颜色相符合的程度。也就是说光源能否正确地呈现物体颜色的性能。光源的显色指数用Ra表示。显色性高的光源对颜色表现较好，所见到的颜色也就接近自然色，显色性低的光源对颜色表现较差，所见到的颜色偏差也较大。

国际照明委员会CIE把太阳的显色指数定为100，各类光源的显色指数各不相同，如：高压钠灯显色指数Ra=23，荧光灯管显色指数Ra=60～90。

显色分两种：忠实显色和效果显色。忠实显色，表示能正确表现物质本来的颜色需使用显色指数高的光源，其数值接近100，显色性最好。效果显色，表示要鲜明地强调特定色彩，表现美的生活可以利用加色的方法来加强显色效果；采用低色温光源照射，能使红色更加鲜艳；采用中等色温光源照射，使蓝色具有清凉感；采用高色温光源照射，使物体有冷的感觉。

显色性指数的高低，就表示物体在待测光源下“变色”和“失真”的程度。例如，在日光下观察一幅画，然后拿到高压汞灯下观察，就会发现，某些颜色已变了色。如粉色变成了紫色，蓝色变成了蓝紫色。因此，在高压汞灯下，物体失去了“真实”颜色，如果在黄色光的低压钠灯底下来观察，则蓝色会变成黑色，颜色失真更厉害，显色指数更低。光源的显色性是由光源的光谱能量分布决定的。日光、白炽灯具有连续光谱，连续光谱的光源均有较好的显色性。

研究发现，除连续光谱的光源具有较好的显色性外，由几个特定波长色光组成的混合光源也有很好的显色效果。如450nm的蓝光，540nm的绿光，610nm的橘红光以适当比例混合所产生的白光，虽然为高度不连续光谱，但却具有良好的显色性。用这样的白光去照明各色物体，都能得到很好的显色效果。

光源的显色性以一般显色性指数Ra值区分：当Ra值为100～75时，显色优良；当Ra值为75～50时，显色一般；当Ra值为50以下时，显色性差。几种光源的显色指数，如图8所示。

图8：各种光源的显色指数

光源显色性和色温是光源的两个重要的颜色指标。色温是衡量光源色的指标，而显色性是衡量光源视觉质量的指标。假若光源色处于人们所习惯的色温范围内，则显色性应是光源质量的更为重要的指标。这是因为显色性直接影响着人们所观察到的物体的颜色。

5. LED照明技术

目前，应用在机器视觉领域的LED光源可以分为2大类：一类是正面照明，一类是背面照明。

正面照明用于检测物体表面特征，背面照明用于检测物体轮廓或透明物体的纯净度。

正面光源按照光源结构分，有环形灯、条形灯、同轴灯和方形灯。

5.1 环形LED光源

环形状的光源是不会看到影子的光源方式。它又包括直射环形、漫反射环、Dome灯等；按照角度又可分为：完全直射环形、带角度环形、低角度环形等。直射环形适合高速检测远距离照射；漫反射环形适合检测反光物体检测；Dome灯即圆顶型散射光源主要用于检测球型或曲面物体检测，它不是直接照射，而是通过多次漫反射照到被测物体，光照效果类似阴天的太阳光。

环形光源，采用LED按圆周排列，发出的光线向内汇聚，多用于金属工件刻印字符、光滑表面划痕、瓶口尺寸或裂纹、平面工件表面质量等的检测。光源发出的光不直接进入相机，瑕疵等表面的变化引起光线改变方向进行镜头，从而实现了高对比度，一般黑背景均用此类光源实现。光源的尺寸和光线角度等选择直接依赖于被测工件的光学性质。

5.1.1 直射环形光源

直接照射环形光源，按照射角度分，有直射环形（垂直照射），带角度环形，低角度环形和水平照射环形等。不同的角度适合不同的检测要求。

5.1.1.1 直射环形（垂直照射）光源

图9为直射环形光源的照明方式。例如，采用该照明方式，可用于金属齿轮的外形检测。

图9：直射环形光源的照明方式

5.1.1.2 带角度环形光源

图10为带角度环形光源的照明方式。

图10：带角度环形光源的照明方式

5.1.1.3 低角度环形光源

照射角度很低，有利于突出边缘轮廓。多应用场合于晶片或玻璃底基上的划痕监测；刻印文字的读取；工作边缘轮廓抽取检查等。图11为低角度环形光源的照明方式。例如，采用该照明方式，可实现电池底部刻印的检测。

图11：低角度环形光源的照明方式

5.1.1.4 水平照射环形光源

图12为水平照射环形光源的照明方式。该照明方式可用于玻璃瓶口破损的检测。

图12：水平照射环形光源的照明方式

5.1.1.5 无影环形光源

又称为Dome灯，通过半球形的内壁多次反射，可以完全消除阴影，实现全空间区域的漫射光照明，对于凹凸不平的表面检测起到特殊作用，主要用于球形或曲面物体缺陷检测、金属、镜面或玻璃等具有光泽物体的表面检测。

图13为无影环形光源的照明方式。

图13：无影环形光源的照明方式

5.1.2 条形光源

条形光源主要有两个应用，一个是宽幅检测，2个或4个条形组合使用；另一个是线扫描的照明。

将条形光源组合使用，它的最大特点是每个方向的光源照射角度可调，因为光源的照射角度对最终的图像效果有很大影响。灵活性比较大，但调试时也相对费事一些。图14为宽幅检测条形光源的照明方式。例如，该照明方式可用于商品的印字检测。

图14：条形环形光源的照明方式

线扫描照明，也称聚光光源，是配合线扫描相机使用的。线扫描相机每次都是采集一条线，且曝光时间短，对光源亮度要求很高。对光源和相机来说，有效的工作区域都是一个窄条。也就是保证光源照在这个最亮的窄条与相机芯片要完全平行，否则只能拍到相交叉的一个亮点。所以线光源有两个特别的要求，就是均匀性和直线性。因为线光源不同位置的亮暗差异，会直接影响图像的亮度高低。光源需要采用聚光镜，使光线集中照到一条线上，这样才能准确控制图像的稳定性。出光部分的直线性，取决于LED发光角度的一致性、聚光透镜的直线性以及线光源外壳的直线性。图15为线扫描条形光源的照明方式。

图15：线扫描条形光源的照明方式

线扫描照明，常用的有几种办法：超高亮LED+聚光镜、光纤+聚光镜、高频荧光灯+聚光镜。其中第二种方案亮度特高，成本也较高，需要定期更换卤素灯泡；第三种方案成本低，但要使用高频电源。

5.1.3 同轴光源

同轴照明是指照明光线平行地穿越固定式同轴镜头的垂直面，对于观察非常平整或抛光的表面是非常理想的，例如镜子表面的划痕或者其他瑕疵。

图16为同轴光源的照明方式。LED的高亮度均匀的光线通过半透半反镜后成为与镜头同轴的光线，用于均匀照射具有反射性的工作界面，对光洁表面上的异常特征成像突出，表现力好，主要用于金属玻璃等光洁表面的划痕检测，芯片和硅片的破损检测，PC模板的圆谱等的检测。同时，同轴光的光源位于照明光路的侧面，这样的照射方式可以减少光路的复杂性，避免光源的放置给光路带来的不必要的麻烦。例如，轴承外侧伤痕检测。

同轴光源属于类平行光的应用，光源前面带漫反射板，形成二次光源，光源主要方向趋于平行，但是有少量非平行光成分。

但是需要注意的是：同轴灯可以消除反光，但只适合检测平面的物体，而不适合检测有弧度的物体。因为同轴灯让相机只能接收与物体垂直，也就是和镜头同轴的光线，所以就叫同轴灯。

图16：同轴光源的照明方式

同轴光源还有一种，就是点光源。因为点光源是和同轴镜头配合使用。事实上，只是把上面同轴灯45°半透半反的玻璃，移植到镜头里面去，所以选的是同轴镜头。点光源的发光部分为一个很小的圆面，近似一个点。可组合使用重点照明或补光照明。例如，用于细小元件的外观检测，是否有裂缝、破损，或者电极位置。

5.1.4 背光源

背光的作用就是让透光和不透光的部分，区分开来：透光的地方呈白色，不透光呈黑色。这样取得一个黑白对比的图片。选择光源一个是选型，一般需要均匀性好；二是看穿透力，如果需要穿透力强的话就可以选红外光源，因为波长长，穿透力更强。

LED灯用于背面照明（检测物体轮廓或通明物体的纯净度），其发光部分为一漫射面，均匀性好，用于观察放在镜头和光源之间的被检查对象的形状，透明物体的伤痕，异物混入等的检查。可以得到对比强、稳定的成像。但是安装时，需要比物体更大的光源发光面，在物体的后方设置光源空间等。

图17为LED背光源的照明方式。

图17：LED背光源的照明方式

5.1.5 机器视觉LED光源颜色选型

光源一般有红、绿、蓝、白、红外和紫色等颜色。

红色用得最多，因为红色LED成本低，并且黑白CCD芯片对660nm红色光线最敏感。

蓝色波长短，适合检测金属物体表面质量。

紫外的波长更短，其散射性更好。

白色是中性颜色，适合拍彩色图片，或者被测物体的颜色在变化的。

绿色的亮度很高，且波长和蓝色接近，所以有时可用绿色代替蓝色。

红外用于半透明等的物体检测。

使用相同颜色的光或相近颜色的光源照射可以使被照射部分变亮；使用相反颜色的光或相反颜色的光源照射可以使被照射部分变暗。

不同的波长，对物质的穿透力（穿透率）不同，波长越短，对物体的穿透力愈强，波长越长，对物质表面的扩散率愈大。

5.1.6 LED照明方式的选择

一般情况下，在选择光源时需要考虑五个技术方面的因素：方向、光谱、偏振性、强度、均匀性。

然后根据了解的相关前提信息，包括：

①检测内容，如外观检查、尺寸测量、定位等；

②被测物的形态、颜色、材料、运动状态等；

③相应的限制条件，如工作距离、工作条件、工作环境和相机类型等，选择出合适的光源类型。

最后再根据预算、使用习惯、品牌知名度等对不同品牌的相同或类似类型产品进行比较选择。

在选择光源时，都习惯性的有一个假设前提：这个光源是稳定可靠的。因为光源、相机、镜头此类机器视觉系统前端的产品通常是在接近理想的清洁或者良好的环境中使用的。但是，工业现场生产线上的光源等产品经常必须在有毒、高温、强湿、肮脏的环境中运行，并且必须要承受振动和热应力，因此，工业用途中使用的光源等产品需要在设计、选料、生产的时候就考虑到特殊的使用环境并使其产品能使用这种环境的应用。

选择光源的一些技巧：

①当需要前景与背景更大的对比度时，可以考虑用黑白相机与彩色光源；

②对于环境光的问题，可以尝试用单色光源，再搭配一个滤镜；

③对于闪光的曲面物体，可以用散射圆顶光源；

④对于闪光的平的物体，但是粗糙的表面，可以用同轴散射光源；

⑤如果检测物体表面的形状，可以用低角度光源；

⑥检测塑料的时候，可以用紫外或红外光源；

⑦当需要通过反射的表面看特征时，可以用低角度线光源；

⑧当单个光源不能有效解决问题时可以用组合光源。

审核编辑：汤梓红