光源设计

机器视觉光源

做机器视觉，一定会涉及到光源，它在机器视觉中有重要的作用，直接影响到图像的质量，进而影响到系统的性能。

所以我们说光源起到的作用：就是获得对比鲜明的图像。

图像的质量好坏，也就是看图像边缘是否锐利,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

控制光源反射方向

图像的边缘锐利程度对比

常用的有LED光源、卤素灯（光纤光源）、高频荧光灯 。

先简单介绍一下后面两种。

卤素灯也叫光纤光源，因为光线是通过光纤传输的，适合小范围的高亮度照明。它真正发光的是卤素灯炮，功率很大，可达100多瓦。高亮度卤素灯炮，通过光学反射和一个专门的透镜系统，进一步聚焦提高光源亮度。卤素灯还有一个名字叫冷光源，因为通过光纤传输之后，出光的这一头是不热的。适合对环境温度比较敏感的场合，比如二次元量测仪的照明。但它的缺点就是卤素灯炮寿命只有2000小时左右。

高频荧光灯，发光原理和日光灯类似，只是灯管是工业级产品，并且采用高频电源，也就是光源闪烁的频率远高于相机采集图象的频率，消除图像的闪烁。适合大面积照明，亮度高，且成本较低。但需要隔一定时间换灯管一定要进口的才过关，国内的高频做的不行，老有闪烁，国外最快可做到60KHz。

相对来说，目前LED光源最常用。主要有如下几个特点：

1、使用寿命长，10000-30000小时。

2、由于LED光源是采用多颗LED排列而成，可以设计成复杂的结构，实现不同

的光源照射角度。

3、有多种颜色可选，包括红、绿、蓝、白，还有红外、紫外。针对不同检测物

体的表面特征和材质，选用不同颜色，也就是不同波长的光源，达到理想效果。

下面我们具体讨论以下LED光源的分类。

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通明物体的纯净度。

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。当然环形灯用得最多，包括直射环形，漫反射环形,Dome灯等。

我们说直接照射环形、漫反射环形、Dome灯，这三种的区别如下。

比如直接照射环形，适合不反光物体的检测；

漫反射环形，适合反光物体检测。

直射环形(垂直照射) 带角度环形

低角度环形

水平照射环形

Dome灯，也算漫反射的一种，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。

直接照射环形按照射角度分，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。可以理解就是：每个LED的光轴和环形灯外壳之间的夹角， 依次为0°，20°，60°, 90°(具体型号可能会稍有变化)。不同的角度适合不同的检测要求。前面两种为明视野照明，也就是被测物体表面大部分反光都能进摄像头，故背景呈白色，比如物体表面突出特征的检测；后面两种为暗视野照明，也就是被测物体表面大部分反光都不进摄像头，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。同时，直射环形(垂直照射)和带角度环形的区别在于，前面一种的照射距离较远，后者较近。低角度环形和水平照射环形的区别也是这样。

同时，漫反射环形也有直射和低角度之分。

直射漫反射

低角度漫反射

条形灯，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。

前面一个―――条形灯组合使用，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我们最终的图象效果有很大影响。灵活性比较大，但调试时也相对费事一些。

另外一个应用，就是线扫描照明。因为现在linescan项目多起来了，所以想多介绍一些。linescan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。光源需要采用聚光型，集中照到一条线上，这样才能准确控制你的图象稳定。Linescan的照明，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。超高亮LED+聚光镜，寿命长不用说，但成本较高，照射距离可能会受一些限制；光纤亮度高，但成本贵；高频荧光灯，成本较低，但需要

隔一定时间换灯管。

接下来介绍同轴灯。

同轴灯主要用于检测反光程度很厉害的平面物体，比如玻璃。

它的特点是：里面有一块45度安装的半透半反玻璃。LED发出的光线，先通过全反射垂直照到被测物体，从被测物体上反射的光线垂直向上穿过半透半反玻璃，进入摄像头。这样就既消除了反光，又避免了图象中产生摄像头的倒影。

但是有一点提醒一下，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CCD只能接受到和物体垂直，也就是和镜头同轴的光线，所以就叫同轴灯啊。

当然同轴灯还有一种，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度半透半反的玻璃，移植到镜头里面去了。所以这时选的是同轴镜头。

背面照明

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。

在背光的选型上面，一个就是需要均匀性好，第二个就是看穿透力。如果需要穿透力强的话就可以选，红外光。 因为波长长穿透力更强

提到这个问题，顺便介绍一下光源的颜色选型。

一般有红、绿、蓝、白、红外。其中红色用得最多，因为红色LED成本低,并且黑白CCD 芯片对660nm光线最敏感。兰色适合检测物体表面质量，因为波长短。当然，紫外的散射性更好，因为波长更短。而白色是中性颜色，适合拍彩色图片，或着被测物体的颜色在变化的。绿色的亮度很高，且波长和兰色接近，所以有时可用绿色代替兰色。红外用于半透明等的物体检测

波长越长，穿透力越强；波长越短，扩散性越好。