如何选择和设计光源方案

打光的首要目的是把目标显现出来，同时把背景和干扰信息尽可能地过滤掉或者淡化，这样就可以得到有利于处理的图像，整个系统的精度和稳定性也可以得到必要的保证。

基本思路

如右图所示,光照射到物体表面之后,会发生一系列光学现象,主要包括镜面反射、漫反射、表面散射、折射、背散射、透射、背反射、色散等，还有一部分光被物体吸收，各种情况发生的条件由物体表面的形状、微观结构、颜色、化学成分等客观条件决定。

不同的表面发生各种光学现象的差异很大，例如镀膜良好的镜子表面，光照射之后几乎全部被反射，也就是镜面反射占了最主要的成分;光线接近垂直照射到玻璃上之后，几乎全部穿透，从另一面发射出去，这种情况下透射占了最主要的成分;黑色粗糙表面，基本没有光反射或者透射，几乎全部光会被吸收掉。

除此之外，光学效果还决定于光源的发光方式和照射方式，例如漫射光均匀照射可以消弱物体表面不平整造成的差异，而平行光照射则恰好相反，能够突出物体表面不平整的特征，因此想得到预期效果，需要选择合适的光源和恰当的照射方式。

选光源一般过程

根据经验，选择一个视觉光源，一般遵循以下过程：

1、了解项目需求，明确要检测或者测量的目标

2、分析目标与背景的区别，找出两者之间成像差异最大的光学现象;

3、根据光源与目标之间的配合关系，初步确定光源的发光类型;

4、拿实际光源测试，以确定满足要求的打光方式;

5、根据具体情况，确定适用于客户的产品。

各种打光结构的应用

漫射背光源贯穿透射

结构描述：如右图所示，漫射背光源置于待测工件正下方，摄像系统垂直于工件和光源进行拍照。

主要应用：存在性检测、计数、薄片边缘检测、定位和尺寸检测、透明体表面和内部不透明异物或脏污检测、透明体和半透明体突变型和部分渐变缺陷、镂空打标检测等优点：结构简单，整体价格较低，非尺寸检测效果稳定可靠，一般情况下图像只有

黑白两种区域，便于处理，相机正对光源拍摄，亮度容易满足。

缺点：大部分在线检测项目不方便使用;多层交叠不透明体会互相干扰;有一定厚度，带倒角、圆角的物体或者圆柱体尺寸测量容易出现边缘发虚现象，结果会有偏差，如果测量精度要求很高，则可靠性不高。

应用技巧：光源面积够用即可，面积过大会影响边缘效果;光源距离工件远一些效果会在一定程度上改善，使用物方远心镜头，可以提高稳定性;光源亮度适中即可不宜过高。

平行背光源贯穿透射

漫射背光的失效：如右图所示，漫射背光会有杂散光干扰，导致较厚且边缘有倒角、圆角或者圆柱状物体边缘发虑。结构描述：如右下图所示，平行背光源置于待测工件正下方，摄像系统垂直于工件和光源进行拍照。主要应用：本身边缘形状导致的不适合使用漫射背光源的精确边缘检测、定位和尺寸测量等项目。优点：光线平行性好，图像效果极佳，测量精度高，准确稳定。缺点：光源本身价格高、对其他配套硬件要求也比较高(例如需配合远心镜头使用等)、安装调试要求高。应用技巧，光源与镜头必须调同轴，如果对不准，效果很差，一旦对准，效果极好，调好后要稳妥固定，以免使用过程中由于震动或不对称外力长期影响而错位。

低角度直射光应用

结构描述：如右图所示，低角度照射，表面平整部位反光无法进入镜头，图像亮度较低，不平整部位反光杂乱，部分光线可以进入镜头，图像亮度较高。

主要应用：表面划伤检测、打标字符检测与识别、表面异物检测、边缘尺寸测量、定位、倒角测量、冲压、浇铸字符图案监测与识别等项目。

优点：便于安装、效果稳定。

缺点：透明物质、表面划伤边缘起毛的效果不明显，有些情况下现场要求光源必须处于一定高度之上，影响效果。

常用光源：条形光、线形光、低角度环形光等。

低角度光源照射，图像背景为黑色，即暗场照明，可以显现物体边缘倒角等45-60的坡度信息，表面比较杂乱的碰伤、划伤、雕刻特征也可以显示出来。

高角度直射光应用

结构描述：如右图所示，高角度照射,表面平整部位反光比较容易进入镜头，图像亮度较高，不平整部位反光杂乱，部分光线进入不到镜头，图像亮度较低。

主要应用：表面细微划伤检测、打标字符检测与识别、表面异物检测、边缘尺寸测量、定位、冲压、浇铸字符图案监测与识别等项目。

优点：效果明显，细节清晰。难点：均匀性调节有一定难度。常用光源：高角度环形光、条形光、面光源、同轴光、点光。

高角度光源照射，图像背景为白色，即明场照明，可以显现物体表面平整区域的轮廓特征，表面比较杂乱的划伤、阶梯等特征也可以显示出来，表面粗糙程度不同或光反射率不同的区域也会有明显差异。

折射光应用

结构描述：如左图所示，光源置于待检工件下方或者一侧，直射光线从一平整表面透射进入工件内部并从另一侧透出，表面比较平整的位置光线会沿着一致的方向射出，与表面不平行的位置光线经折射会照向其他方向。

如果表面有规则的形状变化则沿着垂直于平整表面的方向照像，平整位置光线可以直接进入镜头，相对亮度比较高，与表面不平行的位置光线被折射转向，进入不了镜头，相对亮度比较低。如果表面比较平整只是粗糙程度不同，则可以采取如右图所示的结构，光线从背部倾斜射到待测表面，选取适合方向照向透射光恰好不能进入镜头，在图像中显示相对亮度就比较低，表面比较粗糙的地方，形状分布比较广泛，出射光几乎均匀的发散到各个方向，总会有一部分光线进入镜头，在图像中相对亮度就会比较高。

总之通过以上两种方法，可以区分透明体表面的形状差异。另外很明显，如果透明体内部有异色杂质等，同样可以根据这些方法解决。

对于渐变的表面，以上方法可能会无能为力，可以采取表面带有标准图案的面状光源从内部照射，如果表面有形状变化或者工件本身厚度有变化，则标准图形在图像中会有畸变，一般使用的图案包括Led点阵、透明标定板、光栅等。

主要应用：透明物体表面细微划伤检测、形状图案识别与检测、物体表面平整度与厚度均匀性检测等。

优点：效果明显，细节清晰，稳定性好。

缺点：有些情况下，结构安装不方便。

常用光源：面光源、点阵光源、带透明图层面光源等。

散射光应用

直射光从检测目标单侧照射，光线照射到微观粗糙结构时发生散射，没有散射的区域为暗场，在图像中亮度比较低，发生散射的区域亮度比较高。

应用技巧：保证透射性能良好的情况下，尽可能选择波长比较短的光源。

主要应用：玻璃、塑料等透明物体表面细微划伤检测、表面激光雕刻字符识别与检测、透明薄膜边缘定位测量等项目。

优点：效果明显，细节清晰。

难点：有些情况下，要求检测有效距离比较远，对光源亮度要求比较高。

常用光源：线形光、条形光、点光等 (大多数情况下需特制光源)。

漫射无影光应用

结构描述：直射光一般均匀性比较差，因此，如右图所示，此类光源大部分为二次光源，例如：球积分光源采取半球状漫反射面，将底部环形光发出的光线均匀反射到光源发光口，面分布均匀性，方向均匀性都很好，可以将形状比较复杂的表面照射出比较均匀的效果;拱形光源结构与之类似，其他类型的无影光大都是采用特制的漫射板，在其表面将透射光线散射，获得面分布和方向分布都比较均匀的光场。

主要应用：不平整反光物体轮廓检测、定位、尺寸测量，弧形表面严重缺陷检测、表面雕刻、印刷图案识别与缺陷检测等项目。优点：整体均匀性良好、效果稳定。

难点：镜面反射物体倒影处理。

常用光源：球积分光源、拱形光源、四边无影光、环形无影光、超大面积面光、灯箱式光源等。

颜色过滤与加强

与物体表面自然色相同或相近颜色的光照射到物体上之后,反射率比较高,对比色照射,则反射率较低,利用这一原理,可以实现加强图像效果过滤背景干扰的目的。

如右图所示，工件为易拉罐上盖，内部印有红色“谢谢惠顾”字样，检测目标为铝合金冲压之后的形貌，左图为白色光照射所拍图样，字符比较清晰，严重干扰对冲压痕迹的识别和检测，右图为红色光照射拍得的图像，红色字符被全部过滤掉，不会造成任何影响。下图为啤酒瓶盖子，检测目标是上面的喷码，每种盖子会有不同的背景色和图样，如第一幅所示，第二幅和第三幅所使用盖子为蓝色和绿色背景，选择和背景颜色一致的光源照射，即可获得图中的效果，背景被过滤掉或者大幅消弱，字符检测和识别不再受干扰。

不同的物质，其化学成分不一样，因此当光线照射在物体表面的时候，不同波长的光子会不同程度地吸收和散射，宏观上表现为不同颜色的光，反射率不一样，右图为金、银、铜、铝四种最常见的金属在可见光和近红外波段的反射率。

从图中可以看出，对于波长比较长的光，四种物质反射率都比较高，而对于波长比较短的光,铝和银的反射率远远高于金和铜，根据这种显著差异，选择短波段的光照射，可以明显区分不同的物质，如果工件恰好有其中两种差异比较大的金属组成，检测目标又是其中的一种，即可利用这一方法。

左边为Die bongding线检测项目，主要工件为CCD感光芯片的基底电路，焊盘进行了镀银处理，焊线是纯金的，检测的目标是焊线是否断掉和焊线在焊盘上焊接的位置，根据材料反光特性，选择蓝色同轴光作为打光光源，镀银焊盘反射率比较高，图像中亮度比较高，焊线反射率比较低，在图片中为黑色，两者区分比较明显，此结构下得到的效果很稳定。

左边工件为电路板的转接结构，下部为铜材质的接触片，上部为镀银的弹片，检测目标为上部弹片前伸的长度，在自然光照射下所有金属都发白，底部接触片对检测形成严重干扰，图像处理几乎无法进行，用蓝色光照射时，底部接触片转为黑色，形成如图所示的良好效果。

右图为多层金属焊点，总共五层，底部四层间隔为银-铜-银-铜结构，最上层为银线，同样采用蓝色光照射可以得到如图所示分明的层次结构。

红外光应用

视觉主要应用的红外光处在近红外波段，常用的LED有850nm和940nm两种，其中850nm的LED制成的灯部分人可以略微看到显红色940nm的LED制成的灯人类完全看不到颜色，红外波段光波长比较长，透过有机材质的能力比较强，此功能经常用于透过比较薄的塑胶观测物体，也可用于过滤一些有机染料形成的颜色干扰。