【自有技术大讲堂】机器视觉常用光源照明介绍
一、引言
光源照明系统的特性可以决定机器视觉的好坏。通光选择合适的光源照明系统，可以提高系统的定位、测量精度，使系统的可靠性和综合性能得到提高[1]。反之，不合适的光源照明会降低成像均匀性，混淆图像目标特性和背景特性，增加识别困难。在机器视觉应用中，针对不同的检测需求，设计不同的照明系统至关重要[2]。
二、光源照明需求
随着半导体工业的发展,芯片的集成度越来越高,其关键单元的特征尺寸已经越来越小[3]。这对现有的工业检测提出了新的要求与挑战。为了提高图像的质量，提高系统的精度和可靠性，从而优化整个机器视觉系统的稳定性，对光源照明系统的设计也提出了更高的需求和标准。
(1)成像对比度
对比度对机器视觉来说非常重要。机器视觉应用的照明的最重要的任务就是使需要被观察的特征与需要被忽略的图像特征之间产生最大的对比度，从而易于特征的区分。对比度定义为在特征与其周围的区域之间有足够的灰度量区别。好的照明应该能够保证需要检测的特征突出于其他背景。例如，一般要求目标与背景灰度值相差30以上。
(2)成像亮度
当选择两种光源的时候，最佳的选择是选择更亮的那个。当光源不够亮时，可能有三种不好的情况会出现。第一，相机的信噪比不够；由于光源的亮度不够，图像的对比度必然不够，在图像上出现噪声的可能性也随即增大。其次，光源的亮度不够，必然要加大光圈，从而减小了景深。另外，当光源的亮度不够的时候，自然光等随机光对系统的影响会最大。
(3)成像均匀性
不均匀的光会造成不均匀的反射。均匀关系到三个方面。第一，对于视野，在摄像头视野范围部分应该是均匀的。简单的说，图像中暗的区域就是缺少反射光，而亮点就是此处反射太强了。不均匀的光会使视野范围内部分区域的光比其他区域多。均匀的光源会补偿物体表面的角度变化，即使物体表面的几何形状不同，光源在各部分的反射也是均匀的。
三、常用光源种类
机器视觉对光源的一般要求有：高亮度，高均匀性，低功耗，长寿命，光谱特性好。常用的光源种类有：LED灯源、氙灯、汞灯、激光光源、荧光灯、卤素灯等等。LED光源跟其他光源相比，可做成更多的形状，更容易针对用户的情况，设计光源的形状和尺寸。LED光源主要分类和特点：
环形光源根据从形成角度的发光部可分为高角度和低角度多种类型。多角度照射能突出物体三维信息，避免对角照射带来的阴影问题。低角度照射能够强调边缘部分照明。
图1 高角度打光光路示意图和成像
图2 低角度打光光路示意图和成像
条形光源照射角度可灵活调节，光效利用率高，适合大面积打光，大件方形被测物的优选光源。组合条形光源均匀性好，照射面积大，大幅面照明优选。
同轴光源的照明比传统光源更均匀，能够凸显物体表面不平整，克服表面反光产生的成像干扰，用于缺陷、损伤、异物检测及测量。平面无影光源是同轴面状光源，具备无影光和同轴光源效果。
图3 同轴光源的光路示意图
点光源，大功率LED，体积小，主要是用作远心镜头的辅助光源，适用于芯片检测，Mark点定位等。此外，还有线扫光源，结构光源，平行集光源等等。
氙灯和汞灯也是常用光源，亮度较高，能够产生非常明亮的光线，适用于高亮度照明，缺点是寿命较短，需要经常更换，而且价格也比较高。激光光源是一种高亮度、单色性好、方向性强的光源，适用于高精度测量和定位的应用，缺点是价格较高，需要特殊的安全措施。
四、总结
在机器视觉中对光源成像的要求，首先是对比度，过渡像素满足精度检测要求；其次是均匀性，要求图像整体亮度适中灰度均匀，不均匀但灰度差不影响图像处理；最后就是成像真实性。因此，选择合适的光源是完整机器视觉系统重要的环节。
