【超全基础知识3】机器视觉系统硬件组成之工业LED光源篇--51camera

机器视觉系统的核心是图像采集和处理。所有信息均来源于图像，图像本身的质量对整个视觉系统极为关键，而光源则是影响机器视觉系统图像水平的重要因素。好的打光设计能够使我们得到一幅好的图象，从而改善整个系统的分辨率。通过适当的光源照明设计可以使图象中的目标信息与背景信息得到最佳分离，可以大大降低图象处理的算法难度，同时提高系统的精度和可靠性。

机器视觉系统中光源的作用：

• 照亮目标，提高亮度
• 形成有利于图像处理的成像效果，降低视觉检测系统的复杂度及对图像处理算法的难度
• 克服环境光的干扰，保证图像稳定性
• 用作测量的工具或参照

LED光源的类型

目前机器视觉照明主要采用LED光源（发光二极管）。由于其形状自由度高，发热少、功耗低、寿命长、响应速度快、发光强度高、单色性好、颜色多样、综合性价比高等特点，LED光源在行业内被广泛应用。

一、LED光源分类与应用

01环形光源

环形光源

LED灯珠排布成环形与圆心轴成一定夹角，有不同照射角度、不同颜色等类型，可以突出物体的三维信息；解决多方向照明阴影问题；图像出现灯影情况可选配漫射板，让光线均匀扩散。

应用：螺丝尺寸缺陷检测；IC定位字符检测；电路板焊锡检查；显微镜照明等。

02条形光源

条形光源

LED灯珠排布成长条形。多用于单边或多边以一定角度照射物体。突出物体的边缘特征，可根据实际情况多条自由组合，照射角度与安装距离均有较好自由度。适用较大结构被测物。

应用：电子元件缝隙检测，圆柱体表面缺陷检测，包装盒印刷检测，药水袋轮廓检测等。

03同轴光源

同轴光源

同轴光源提供了比传统光源更均匀的照明，同时避免物体的反光，提高了机器视觉的准确性和重现性。适用于粗糙程度不同、反光强或不平整的表面区域，检测雕刻图案、裂缝、划伤、低反光与高反光区域分离、消除阴影等。需要注意的是同轴光源经过分光设计有一定的光损失，需要考虑亮度，并且不适用于大面积照射。

应用：玻璃和塑料膜轮廓和定位检测，IC字符及定位检测，晶片表面杂质和划痕检测等。

04圆顶光源

LED灯珠安装在底部通过半球内壁反射涂层漫反射均匀照射物体。图像整体的照度十分均匀，适用反光较强金属、玻璃、凹凸表面、弧形表面检测。

应用：仪表盘刻度检测，金属罐字符喷码检测，芯片金线检测，电子元件印刷检测等。

05背光源

LED灯珠排布成一个面(底面发光)或者从光源四周排布一圈(侧面发光)。常用于突出物体的外形轮廓特征，适用于大面积照射。背光一般放置于物体底部需要考虑结构是否适合安装，在较高的检测精度下可以加强出光平行性来提升检测精度。

应用：机械零件尺寸及边缘缺陷的测量，饮料液位及杂质检测、手机屏漏光检测，印刷海报缺陷检测，塑料膜边缘接缝检测等。

06点光源

高亮LED，体积小，发光强度高；多用在配合远心镜头使用，一种非直接同轴光源，检测视野较小。

应用：手机内屏隐形电路检测，MARK点定位，玻璃表面划痕检测，液晶玻璃底基校正检测等。

07线光源

高亮LED排布，采用导光柱聚光，光线呈一条亮带，通常用于线阵相机，采用侧向照射或底部照射，线光源也可以不使用聚光透镜让光线发散，增加照射面积也可在前段添加分光镜，转变为同轴线光源。

应用：液晶屏表面灰尘检测，玻璃划痕及内部裂纹检测，布匹纺织均匀检测等。

08特殊光源

• 红外光源

LED照射的红外光仅拥有特定波长范围的能量，与卤素光源相比，照射热极少。因此，对象物不易因热能而受损。

应用：

水分含量和水滴有无检测

包装内部的内容物检测

包装密封部分异物混入检测(包装材料: PE等)

紫外光源

可用波长: 365nm, 385nm, 395nm和405nm。

用于荧光观察，涂层检测和缺陷检测等各种检测应用。

紫外光源

二、光源的发光颜色

在工业实际运用中，由于不同工件和材料对不同光源颜色吸收程度是不一样的，要达到的效果不同，检测的项目不同，对光源颜色的需求也是不一样的，所以选择一个正确颜色的光源很重要。

不同波长的光线呈现不同的颜色。波长决定特定颜色的特征。不同颜色光源的特点如下：

# 一般情况下，如果使用黑白相机，又对被测物体的颜色选择没有特殊的要求，红色是比较合适的选择。因为红色LED寿命长、稳定、价格低廉，更重要的是红色LED的波长更接近传感器的灵敏度峰值，而通常的CCD对紫色、蓝色的光敏感程度没有红光强。

颜色的互补与对比

为了方便应用，可以把可见光波段的颜色首尾相接组成一个圆环，也就是所谓的色环。色环中距离比较近的颜色为相近色或者相邻色，关于圆环中心对称的为互补色，离的比较远的为对比色。

在光照环境中，使用与物体本色相邻或相同的颜色照射，物体在图像中的亮度会相对比较高；反之，如果使用对比色光照，则会使物体在图像中显得比较暗。所以，在拍摄物体时，如果要将某种颜色打成白色，那么就得使用与此颜色相同或相似的光源（光的波长一样或接近），而如果要打成黑色，则需要选择与目标颜色波长相差较大的光源。

三、如何选择光源

在选择光源时，首先要考虑的是使用光源要做什么。图像处理的应用大致分为“外观检查”“OCR”“尺寸测量”“对准”4种。我们可以通过以下四点来选择光源：

01颜色与对比度

与工作颜色处于相反位置的颜色称为互补颜色，具有使该颜色脱颖而出的效果。

它旁边的颜色被称为类似的颜色，并具有吸收（混合）颜色的效果。如果您希望背景或不需要的颜色显示为黑色，请使用这些效果选择互补颜色;如果您希望背景或不需要的颜色为白色，则使用类似的颜色。 此外，由于波长的特点，波长越短，散射速率越大，从而可以揭示细微的划痕。白色照明经常用于彩色相机。因此，可以根据工作特点和波长选择照明颜色。

02工件颜色与光源颜色的关系

当12色彩铅分别用B、G、R三种颜色打光处理的情况下，同色系的颜色变白。

02工件的形状和状态

由于打光角度是固定的，光源的正反射光在一个倾斜的表面上进入相机，会导致光晕，如果表面是镜面的，照明发射部分本身就会被反射。

要根据工件的形状和状况，从同轴落射照明法、直接照明法、间接照明法、透射照明法和透镜的组合中选择最合适、最均匀的照明方法。

➤➤ 同轴落射照明

它是一种从正上方沿镜头的光轴垂直于物体进行照明的方法。它主要用于镜面物体（平面、高反射的物体）。例如，它适用于突出反射率略有不同的区域，如IC图案、LCD电极、硅片上的ID码和镀金标记。

根据是否通过光学透镜进行辐照，有以下两种方法：

① 同轴落射照明法

这种方法也被称为远心照明，在镜筒内使用一个半镜或分光器，通过光学透镜进行照明。它只对具有高反射率的物体有效，如镜面，因为它接收垂直于物体照射的正反射光。由于漫反射，划痕和异物显得很暗，很容易获得划痕和异物与镜面的对比。它不适合于非镜面的表面或倾斜的、不直接反射的物体”。

点光源/超高亮度点光源

② interwetten与威廉的赔率体系 同轴落射照明法

一种垂直于物体的照明方法，通过使用半反射镜或分光镜，使照明路径与镜头的光轴相同，而不通过光学镜头。由于它不通过光学透镜，在一定程度上可用于非镜像物体，并可与远心透镜以外的镜头结合使用。

在这种情况下，镜子的尺寸和光圈尺寸必须比远心镜头大”。

模拟同轴落射照

➤➤ 直射照明法

对物体的直接照明是最经常使用的照明方法。它主要用于检测非镜面物体不平整表面上的划痕、裂纹和其他边缘。根据工件的形状，可以采用各种形式和角度，如环形照明、低角度照明、水平对置照明、条形照明、表面照明和线条照明。

① 直射照明法--环形

由于来自环形光源（360°）的照射，可以防止阴影产生。容易安装，设置简单，广泛应用于表面的划痕检测、污迹检测和二维码识别等领域。有各种角度可供选择，从平坦发光面照射到水平于工件（被测物）照射。

当工件表面为易于反光的镜面时，可以使用偏振滤光片的组合来防止光晕，而且根据安装距离以及光源指向性不同，可能会有反光和反射重影。

环形、平面、低角度、低角度水平照射

② 直射照明法--条形

条形或是在条形上发光的照明方法。在线阵相机进行识别物体的应用中用来照亮特定需要照亮的区域。面阵相机的应用中，光线的清晰度和线性度非常好，可以从接近水平的角度进行打光，来强调和识别小的不均匀区域。根据不同的应用，可以结合使用聚光镜、扩散器或偏光镜。

③ 直射照明法--背光

“背光”是通过将被测物放置在镜头与光源之间，拍摄剪影的打光方式。主要用于检测被测物的形状、透明物体上的划痕和夹杂物。由于对比度容易实现，所以可以获得稳定的图像。然而，由于发光面要比被测物大，后方需要更多的空间用于放置光源。为了减少环境光影响，还有一种方法是在受光侧使用与远心镜头的NA相匹配的聚光镜。

背光/直接透射照明

➤➤ 间接照明法

一般打光方式，因为指向性固定，根据被测物的形状，被测物某些部分被强烈反射导致亮度不均，使物体无法被识别。另外，如果该物体是一个具有弧形表面的镜面物体，发光部分会映射在该物体中。为了解决这些问题，一般采用从不同方向打光的方式，即间接照明法。

圆顶/无影环形/无影低角度

03视野及设置光源距离

由于远心镜头没有视角，即使在视场外围也是如此，因此当使用直接照明法时，照明尺寸应约为视野（FOV）+α。而另一方面，一般镜头有一个视角，所以在使用直接或透射照明法时，照明尺寸的选择应考虑到视角的影响。有必要选择一个考虑到视角和光圈的照明尺寸。

04 不同光源比较表