机器视觉系统光源选型技巧及应用案例

用一句常说的话来开头：机器视觉是用机器代替人眼来做测量和判断；机器视觉系统主要包含相机、镜头、光源、图像处理系统和执行机构。而光源作为其中重要组成部分，直接关系到系统的成败。

为什么这样说呢，在视觉系统中图像是核心，选择合适的光源能够呈现一幅好的图像，能够简化算法提高系统稳定性，一幅图像如果曝光过度则会隐藏很多重要的信息；出现阴影则会引起边缘误判；图像不均匀则会导致阈值选择困难。因此要保证有较好的图像效果，就必须要选择一个合适的光源。

机器视觉涉及行业广泛包含电子、汽车、包装、印刷、食品、医疗等。因而我们面临的检测产品也是多种多样:形状大小不同、颜色材质不一、检测环境和指标各异。面对种类繁多要求各异的检测产品如何选择光源呢，我们先来看一下常见的光源特性。

目前理想的视觉光源有高频荧光灯、光纤卤素灯、氙气灯、LED光源。应用最多是LED光源，这里就详细介绍几种常见的LED光源。

1.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。

2.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随有较好自由度。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。

3.同轴光源

经面光源采用分光镜设计。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。

4.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。

5.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机构是否适合安装，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。

6.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

7.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。

LED光源设计自由度高，能够满足不同的检测需求，是目前主流的视觉光源。在面对一些实际检测物体时我们应该建立怎样一种打光思路选择到合适的光源呢，以下面几个实际案例来说明

案例1：人民币防伪标记检测

彩色相机白色光源彩色相机紫外光源

选型分析: 目标表面有多重颜色；防伪区域有紫外显示特性,人眼可辨。但在黑白相机下就存在较大干扰，无法呈现优质图像。

黑白相机紫外光源紫外光源加滤光片

黑白相机下存在的干扰，防伪区域并非是无法显示的，滤除非目标区的反光后，就可以实现图像优化。合理使用滤光镜、偏振镜能够解决图像颜色干扰和表面反光。

案例2：药盒生产日期字符检测

选型分析:产品表面平滑，较反光。字体为黑色，可考虑使背景变白来突出与黑色字符的对比性。主要考虑使用的光源类型有条形光，环形光，同轴光。因产品较大，暂时排除同轴光。试用条形、环形光源。

选择好合适的光源类型，然后根据产品颜色选择光源的发光颜色。

白色条形光效果白色环形光效果

蓝色条形光效果白色条形光效果

红色条形光效果绿色条形光效果

药盒本身颜色为绿色，使用绿色条形光源不仅让图像更加均匀也能够让背景在黑白相机下呈现较高灰度值与黑色字符部分形成有效对比，实现检测目的。

案例3：烟盒表面反光消除

选型分析:产品表面有较强反光，要使烟盒整体均匀一致，光源需要保证每个方向都能够照射和强度一致。

条形光源效果1条形光源效果2

环形无影光源效果圆顶+同轴组合效果

应对反光产品选用均匀性较好的光源，如果单独光源不可实现效果，可考虑使用多种光源组合打光，保证整体区域均匀一致。

案例4：啤酒罐底部字符识别

选型分析:金属圆弧，光照下呈现各角度不同反光，既要保证图像整体均匀也需要突出字符，对光源大小和角度有较高要求。

环形光效果同轴光效果

圆顶+同轴效果大开孔环形光光效果

字符与弧面有一定高度差，两者之间过度非平滑。利用特征，让光线从侧边投射到表面，表面不形成强反光，字符区域反光突出。

案例5：电池极芯位置检测

选型分析:顶部金属存在不同位置和形态，与底部包层有一定距离。包层是白色，会存在一定反光。需要考虑产品方向和引脚位置。

环形光源效果平面无影光源效果

条形光源效果低角度环形光源效果

选用环形光源保证电池在不同方向上都能够保证图像一致，利用引脚与底面的高度差，光线低角度射向产品，金属部分出现较强反光，很好的与底部分离。

建立一个有效的打光思路能够快速评估判断产品能够通过哪种光源有效解决问题，根据被测物基本信息、安装条件等预判出哪种光源照射目标区域是亮或暗，能更好的实现软件算法。打光过程中光源要灵活的使用，通过调整高度、角度，选取不同类型的光源多做尝试。

最后总结一些光源选择基本原则

1.根据检测产品特征选择，一般选择光源的大小要比产品大，这样照射的光线才能覆盖到整个产品；选择的光源的形状接近产品形状，可以让整个产品区域光照强度一致；光源颜色选择是要能够让检测目标与背景有一定对比度，在黑白相机下使用与产品目标区域颜色接近的光源能够该区域呈现更高的灰度，反之则呈现较低灰度；如果产品表面反光较强可以选用均匀性更好的无影光源，目标特征不明显则选用指向性或平行性更好的光源。

2.根据机构要求，光源能够满足设备的安装空间，产线的速度快就需要选择亮度更高的光源；在特殊环境（潮湿、高温）就需要考虑光源性能（防水、散热）。

3.实际测试，光源照射能够呈现有效对比度，也要保证各个区域的均匀性。一般在检测区域目标和背景一个接近255灰度的峰值，这个时候对比度一般最高加强或减弱光源亮度都会影响对比度差值。当出现较好对比图像时一定要把检测物体放在视野内的各个位置看看图像是否一致，这样才能保证在实际环境中的稳定性。

本文主要介绍一些常见的光源和光源选型需要建立的想法，机器视觉自身也在不断发展和完善，随着时间的推移机器视觉也将会在未来的制造企业中得到更加广泛的应用。

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