光源基础知识

1.光源

1.1光源的作用

一套视觉检测系统主要包括图像采集模块和图像处理模块，而图像采集模块主要由工业相机、镜头以及光源组成。
图像是机器视觉处理问题的核心，光源是决定图像质量的重要因素。
机器视觉中的光源的作用主要有：
1）照亮目标，提高亮度；
2）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；
3)克服环境光的干扰，保证图像稳定性；
4) 用作测量的工具或参照物。

照明系统是机器视觉系统最为关键的部分之一。目前尚未有通用的机器视觉照明设备。因此，针对每个特定的案例，要设计合适的照明装置，以达到图像处理最佳效果。

1.2光的颜色

能匹配出所有颜色的三种颜色称为三原色。 RGB又称色光三原色（加色法原理），即红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）。
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。

1.3光的互补色与对比色

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。

2.光源的种类

2.1 光源的种类

机器视觉常用的光源主要有：荧光灯、卤素灯、LED。
卤素灯适合在高亮度应用场合；
荧光灯因为其色还原性好的的特点仍然被广泛使用于色彩检测中；
LED灯技术发展很快，也因其寿命长，亮度稳定，可构成不同形状的光谱，可频闪和低功耗等，逐渐在机器视觉使用的光源中占主导地位。

2.2LED光源的种类

机器视觉中常用的的LED光源可以分为两大类：正面照明LED光源和背面照明LED光源。

1）正面照明LED光源用于检测物体表面特征；

2）背面照明LED光源用于检测物体轮廓或透明物体的纯净度。

正面照明LED光源按照结构不同，又可分为环形光源、条形光源、同轴光源和方形光源。目前，环形光源用得较多，包括直接照射环形光源、漫反射环形光源、Dome光源等。

 直接照射环形光源：适用于不反光物体的检测；漫反射环形光源：适用于反光物体的检测；Dome光源：是漫反射光源的一种，但它是通过半球型的内壁多次反射，可以完全消除阴影。主要用于检测球型或曲面物体。

按照照射角度的不同，直接照射环形光源可分为：垂直照射环形光源、带角度环形光源、低角度环形光源和水平照射环形光源等。可以简单理解为：每个LED的光轴和环形灯外壳之间的夹角，依次为0°、20°、60°和90°(具体型号可能会稍有变化)。

不同的照明角度适用于不同的检测要求。
垂直照明和带角度照明为明视野照明，也就是被测物体表面大部分反光都能进入摄像头，故背景呈白色，比如物体表面突出特征的检测。
低角度照明和水平照明为暗视野照明，也就是被测物体表面大部分反光都不进入摄像头，故背景呈黑色，只有物体高低不平之处的反光进入摄像头，比如金属表面划痕的检测，背景呈黑色，划痕呈白色。
垂直照明和带角度照明的区别在于，前面一种的照射距离较远，后者较近。
低角度环形照明和水平照射环形照明的区别也是这样。同时，漫反射环形也有直射和低角度之分。

低角度漫反射条形灯的应用:
1）宽幅检测
2) 线扫描照明。

3.常见的配光方式

3.1环形光

环形光提供不同照射角度、同颜色组合，更能突出物体的三维信息；

环形光高角度照射-明场配光
高角度光源提供高角度照射、不同颜色组合，更能突出物体的物体表面信息，测量、光滑表面雕刻图案、裂缝、划伤、低反光与高反光区域分离等。
环形光低角度照射-暗场配光
提供低角度照射、更能突出物体的物体表面轮廓边缘有倒角、圆角物体轮廓提取、浮雕图案识别与检测，光滑表面划伤、裂痕检测。

3.2条形光照射

条形光源是较大方形结构被测物体的首选光源,颜色可根据需求搭配，自由组合；角度灵活，照射角度与安装随意可调。

3.3PI点光源照射

体积小，发光强度高。尤其适合作为镜头的同轴光源，一般搭配同轴远心镜头使用.

3.4 同轴光照射

同轴光的形成：通过垂直墙壁出来的发散光，射到一个使光向下的分光镜上，相机从上面通过分光镜看物体。
同轴光源可以消除物体表面不平整引起的阴影，从而减少干扰部分。
同轴光适用于：
1）表面反光极高的物体（金属表面，手机屏等）表面微小凹坑、划痕、裂纹、毛刺、凸起等缺陷的检测；
2）表面由反射、吸收特性不同的材料组成的目标物体的检测。

3.5背光照射

从物体背面射过来均匀视场的光，通过相机可以看到物面的侧面轮廓。可以用高密度LED阵列面提供高强度背光照明。
背光照明的主要应用：外形轮廓提取、透明体内部不透明体检测。

3.6 RID球积分光源配光方式

3.7 红外光的应用

颜色过滤、穿透力强

染料颜色过滤

3.8 紫外光的应用

紫外光的主要应用:荧光检测、涂胶检测、油污检测、微粒检测。

3.9 偏振光的应用

高质量采图是产片检测过程中最为关键的一步，而采用偏振片，在某些场合能大大提升图像质量，达到检测的目的。
偏振片由二向色性材料制成，当光通过偏振片时，振动方向相当于传播方向的不对称性。
H偏振片：聚乙烯醇+碘

偏振光用于摄影的应用

3.10 多角度组合光的应用

分多角度多层次照明，控制每个方向的入射光强度，当不同照射角强度分布达到较合适的条件下，即可得到十分均匀的图片效果。.

3.11 AOI光源的应用

焊锡检测主要是通过焊锡表面不同曲率表面对固定角度照射光线反射的强弱差异，得到焊锡的二维彩色图像，并与良品焊点的图像做对比，判别焊锡的好坏。

3.12 提高光源稳定性的方式

1）. 减少环境光干扰,关闭生产环境光的灯 (来自车间天花板上的灯光，如汞灯、HP钠灯和日光灯，附近的白炽灯)
至少有效
2）. 建造保护罩
最有效，但是费时，体积大，成本高
3）. 通过频闪和提高光源亮方式，从而将环境光淹没
非常有效，但光源系统需要更多成本与复杂
4）. 用滤光片控制
让一个窄带的光线通过滤光片

滤光片的应用

4.光源选型

没有一款万能的光源，只有合适的才是最好的。因此，需要：
1）了解项目需求，明确要检测或者测量的目标，并且测试样品要丰富，要有不同种类的完好样品及问题样品，尽可能的让样品出现所有的问题，特别是要有最难检测实际有问题的样品。
2）分析目标与背景的区别，找出两者之间最可能差异大的光学现象，确定工业相机、光源、被测物的空间结构关系；
3）根据光源与目标之间的配合关系，初步确定合适的光源发光类型；
4）要多款备用测试光源，LED光源常见的几大类，以及不同的颜色都要有。拿实际光源测试，以确定满足要求的打光方式；
5）根据具体，确定适用于客户的产品。
实际现场条件测试
-前景亮度不够？前景是什么颜色？建议换与前景颜色相同的光源测试。
-相机、镜头和光源的3D结构（工作范围）？
-工作范围的形状和大小？
-整个图像亮度不够？建议将光源靠近物体一些，或者采用频闪，或者换波长短一些的光源。
-最大和最小的相机、光源的工作距离和视场？
-图像亮度不均匀？检查光源放平没有
-是否有潜在环境光干扰？
-图像泛白？建议降底光源亮度，或将镜头的光圈减小。

被测物特征
-感兴趣特征部分与背景的差异？
-样品是固定还是移动，或是一会停一会动？
-如果样品移动，移动速度是多少？
-频闪？或者期望的频率，持续工作时间以及工作周期？

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