下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
光源是图像采集系统中的关键组成部分，它直接影响输入图像的质量。光源的主要功能是以合适的方式将光线投射到待测物体上，突出待测物体特征部分的对比度。采用照明光源的目的主要有以下几点：
1）将待测区域与背景区分开。
2）将运动目标“凝固”在图像上。
3）增强待测目标边缘的清晰度。
4）消除阴影。
5）抵消噪光。
好的光源能够改善整个系统，突显良好的图像效果（特征点），并且可以简化算法，降低后续图像处理的复杂度，提高检测精度，并保证检测系统的稳定性。不恰当的光源，会给整个系统带来很多不必要的麻烦，甚至让检测失败。例如，相机过度曝光以及曝光不足均会隐藏许多重要的图像信息；阴影会引起边缘的误检测；不均匀的照明会增加图像处理阈值选择的困难等。需要注意的是，没有通用的图像采集系统的照明设备，针对每个特定的应用实例，要设计相应的照明装置，以达到最佳效果。
下面分析光源的分类以及光源的照明方式，让读者能够更深刻的理解数字图像处理系统中的照明光源。
光源是指能够产生光辐射的辐射源，一般分为天然光源和人造光源。天然光源是自然界中存在的辐射源，如太阳光、月光等。人造光源是人为将各种形式的能量（热能、电能、化学能）转化成光辐射能的器件，按照发光机理，人造光源一般可以分为以下几类。
1）钨丝灯类：白炽灯、卤素灯；
2）气体放电灯类：高强度气体放电灯（HID）类（高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯），荧光灯类（直管/环形荧光灯、紧凑型节能灯）；
3）固体光源类：发光二极管（LED）。
在不同的场景和环境下，选择合适的发光元件对于系统非常重要。如图2-1所示，目前数字图像处理系统上的光源主要有荧光灯、卤素灯（光纤导管）、LED光源。
图2-1 数字图像采集系统中主要的光源类型
将弧光放电现象产生的紫外线作为荧光体，从而发出可视光的光源。一般来说，其结构为：在玻璃管的内侧涂上荧光体，将水银密封在玻璃管内，然后在管子的两端安装用来放电的电极。荧光灯由交流电供电，因此产生与供电电源相同频率的闪烁。应用于图像采集系统时，为了避免图像产生明暗的变化，其供电频率应不低于22kHz。
卤素灯泡是在灯泡内注入碘或溴等卤素气体，其工作原理为：当灯丝发热的时候，钨原子就会开始蒸发，然后向玻璃灯泡管壁方向移动，接近玻璃管壁的同时，钨原子的蒸气会被冷却然后和卤素原子结合一起，形成卤化钨，为气态。然而，卤化钨是一种十分不稳定的物质，遇热后会重新分解成钨和卤素蒸气，如此无限循环下去，即卤钨循环。通过这样的卤钨循环，灯丝上的钨不会渐渐溶解，也不会因为钨在灯泡壳上沉积而发黑，其寿命得到了大大的提升，也比普通白炽灯发光效率高。一般将卤素灯和光纤导管组合使用，由一个卤素灯泡在一个装置（通常称为灯箱）中发光，再由光纤导管将卤素灯所产生的强光转向被测物进行照明。
LED光源由数层很薄的掺杂半导体材料制成，一层带过量的电子，另一层因缺乏电子而形成带正电的“空穴”，当有电流通过时，电子和空穴相互结合并释放出能量，从而辐射出光芒。
LED光源主要有如下特点：
1）可制成各种形状、尺寸及各种照射角度；
2）可根据需要制成各种颜色，并可以随时调节亮度；
3）通过散热装置，散热效果更好，光亮度更稳定；
4）使用寿命长；
5）反应快捷，点亮后可在10ms或更短的时间内达到最大亮度；
6）电源带有外触发，可以通过计算机控制，起动速度快，可以用作频闪灯；
7）运行成本低、寿命长，在综合成本和性能方面体现出更大的优势；
8）可根据客户的需要，进行特殊设计。
由于LED光源有如此多的优点，所以它是目前数字图像处理系统中应用最多的一种光源。为了更好地了解LED光源以及对后文的理解，下面将对LED光源（按形状划分）的类型进行介绍（如图2-2所示）。
图2-2 LED光源分类
环形光源的LED灯珠排布成环形且与光轴有一定的夹角，可提供不同照射角度、不同颜色组合，更能突出物体的三维信息；高密度LED阵列，亮度高；多种紧凑设计，节省安装空间；解决对角照射阴影问题；可选配漫射板导光，实现光线均匀扩散。
应用领域：PCB基板检测、IC元件检测、显微镜照明、液晶校正、塑胶容器检测、集成电路印字检查等。
用高密度LED阵列面提供高强度面光照明。采用面光源垂直照射，能够在照明范围内产生均匀的照明光线；采用面光源进行背光照射，能突出物体的外形轮廓特征。
应用领域：机械零件尺寸的测量，电子元件、IC外形检测，胶片污点检测，显微镜的载物台及透明物体划痕检测等。
条形光源是针对较大长方形结构被测物的首选光源。光源颜色可根据需求搭配，自由组合。照射角度与安装位置随意可调。
应用领域：金属表面检查、图像扫描、表面裂缝检测、LCD面板检测等。
光源通过漫射板发散打到半透半反射分光片上，该分光片将光反射到物体上，再由物体反射到镜头中。由于物体反射后的光与相机处于同一个轴线上，因此，这种方式的光源被称之为同轴光。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；部分采用分光镜设计，减少光损失，提高成像清晰度，均匀照射物体表面。其中，同轴平行光通过特殊聚光透镜配光，实现光束平行的效果，能清晰的检测反光表面的划痕、缺口等缺陷，比普通同轴光平行性更高。
应用领域：适用于反射率极高的物体，如金属、玻璃、胶片、晶片等表面的划伤检测，芯片和硅晶片的破损检测、Mark点定位及包装条码识别。
AOI专用光源，采用RGB三色高亮度LED阵列而成，以不同角度及不同颜色照射物体，以突显出物体的三维信息。通常，AOI专用光源会外加漫射板导光，以减少反光。
应用领域：用于电路板焊锡检测。
球积分光源从外观上看是一个空腔半球体，内壁上涂有白色漫反射材料，半球面内壁具有积分效果，均匀反射从底部360°发射出的光线。由于多次反射光产生的光照不断叠加，使整个图像的照度十分均匀。球积分光源对于表面起伏大和反光性强的物体有较好的适用性。
应用领域：适用于曲面，表面凹凸，弧形表面检测，或金属、玻璃表面反光较强的物体表面检测。
点光源采用大功率LED，具有体积小，发光强度高等特点，是光纤卤素灯的替代品，尤其适合作为镜头的同轴光源等。增加高效散热装置，可以大大提高光源的使用寿命。
应用领域：适合远心镜头使用，用于芯片检测、Mark点定位、晶片及液晶玻璃底基校正。
不同颜色的光的波长不同，波长越长，穿透能力越强；波长越短，扩散能力越强。所以，红外光的穿透能力强，适合检测透光性差的物体，如棕色口服液杂质检测。紫外光对表面的细微特征敏感，适合检测对比不够明显的地方，如食用油瓶上的文字检测。因此不同颜色的光源的照明属性不同，常用光源颜色有白色、蓝色、红色、绿色、红外和紫外。
白色光源通常用色温来界定，色温高的颜色偏蓝色（冷色，色温>5000K），色温低的颜色偏红（暖色，色温<3300K），界于3300K与5000K之间称之为中间色，白色光源适用性广，亮度高，特别是拍摄彩色图像时使用更多。
蓝色光源波光为430nm～480nm之间，适用产品：银色背景产品（如钣金、车加工件等）、薄膜上金属印刷品。
红色光源的波长通常在600nm～720nm之间，其波长比较长，可以透过一些比较暗的物体，例如底材黑色的透明软板孔位定位、透光膜厚度检测等，采用红色光源更能提高对比度。
绿色光源波长510nm～530nm，界于红色与蓝色之间，主要针红色背景产品和银色背景产品（如钣金，车加工件等）。
红外光的波长一般为780nm～1400nm，生产中大多采用940nm波长的红外光，红外光属于不可见光，其透过力强。一般在LCD屏幕检测、视频监控行业中应用比较普遍。
紫外光的波长一般为190nm～400nm，生产中主要采用385nm波长的紫外光，其波长短，穿透力强，主要应用于证件检测、触摸屏ITO检测、布料表面破损、点胶溢胶检测及金属表面划痕检测等。
光的三原色是红、绿、蓝，三原色中任意一色都不能由另外两种原色混合产生，而其他色光可由这三色光按照一定的比例混合出来。
色光混合遵循以下定律：
1）色光连续变化规律：由两种色光组成的混合色中，如果一种色光连续变化，混合色也连续变化。
2）补色律：三原色光等量混合，可以得到白光。如果先将红光与绿光混合得到黄光，黄光再与蓝光混合，也可以得到白光。两个以适当比例相混合产生白色的颜色光是互补色。最基本的互补色有三对：红-青，绿-品红，蓝-黄。补色有一个重要性质，即一种色光照射到其补色的物体上，则被吸收。基于这一定律可知，使用与被测物同色系的光会使图像变亮（如：红光使红色物体更亮）；使用与被测物相反色系的光会使图像变暗（如：红光使蓝色物体更暗）；使用补色光会使物体呈黑色（蓝光照射黄色物体，则呈现黑色）。
3）中间色律：任何两种非补色光混合，便产生中间色。其颜色取决于两种色光的相对能量，其鲜艳程度取决于二者在色相顺序上的远近。
4）代替律：颜色外貌相同的光，不管它们的光谱成分是否一样，在色光混合中都具有相同的效果。凡是在视觉上相同的颜色都是等效的，即相似色混合后仍相似。色光混合的代替规律表明，只要在感觉上颜色是相似光的便可以相互代替，所得的视觉效果是同样的。
以上四个规律是色光混合的基本规律。这些规律可以指导照明光源系统设计。例如可以根据目标的颜色不同来选择不同光谱的光源照射，利用补色律和亮度相加律得到突出目标亮度，削弱背景，以达到最终突出目标的效果。
恰当的照明方式可以准确捕捉物体特征，提高物体与背景的对比度。常见的照明方式有前景光照射、背景光照射、同轴光照射。
照明光源位于被测物体的前方，利于表现物体的表面细节特征，可用于各种表面检测。一般情况下可分为垂直照射、高角度照射、低角度照射和多角度照射。（不同的光源对角度的定义不同，在选购合适的光源时要慎重）
垂直照射时，光线方向与物体表面成约90°夹角，照射面积大、光照均匀性好、适用于较大面积照明。可用于基底和线路板定位、晶片部件检查等，如图2-3所示。
高角度照射时，光线方向与物体表面成较大的夹角（如30°、45°、60°、75°等角度环光），在一定工作距离下，光束集中、亮度高、均匀性好、照射面积相对较小。常用于液晶校正、塑胶容器检查、工件螺孔定位、标签检查、引脚检查、集成电路印字检查等，如图2-4所示。
图2-3 垂直照射
图2-4 高角度照射
低角度照射时光线方向与物体表面夹角接近0°，此时光源对物体表面凹凸表现力强。适用于晶片或玻璃基片上的伤痕检查等，如图2-5所示。
多角度照射是前面三种方式的混合，利用漫反射光照射。例如用不同颜色不同角度光照，可以实现焊点的三维信息的提取。适用于组装机板的焊锡部分、球形或半圆形物体、其他特殊形状物体、引脚头等，如图2-6所示。
图2-5 低角度照射
图2-6 多角度照射
前景光的照明方式很多，而背景光的照明方式通常比较单一，利用背景光创造一个明亮的背景，而不透明或半透明的目标形成暗区，反差强烈，如图2-7所示。背景光更适合检查底片中缺陷和测量外形尺寸。
背景光照明有两种截然不同的使用。一是以投射方式观察的透明物体，薄玻璃就是可以用背光观察的透明产品，那些与透镜不是同轴的点状照明突出了表面瑕疵（刮痕、凿沟）以及内部缺陷（气泡、夹杂物）；二是背光照射观察不透明物体的轮廓，这是背光照明更常用的功能，例如零件进料器可以用基于背光照明的图像来确定装配中机器人所选机械零件的位置。
图2-7 背景光照射
市场上各种视觉光源越来越多，如何选择一款适合项目需求的光源产品，是摆在很多应用工程师面前的一个难题。这个问题本身很难总结出一个千篇一律的结论，这里只是提出一些需要注意的地方供读者参考。
对比度对图像处理来说非常重要，数字图像处理系统应用的照明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。
鲁棒性就是对环境有一个好的适应能力。好的光源需要在实际工作中与其在实验室中有相同的效果。
当选择两种光源的时候，最佳的选择是选择更亮的那个。光源的亮度不够，必然要加大光圈，从而减小了景深。
均匀性是光源一个很重要的技术参数。均匀性好的光源使系统工作稳定。
可维护性主要指光源易于安装，易于更换。
光源的亮度不宜衰减过快，这样会影响系统的稳定，增加维护的成本。发热量大的灯亮度衰减快，光源的寿命也会受到很大影响。
1）需要前景与背景之间有更大的对比度，可以考虑用黑白相机与彩色光源。
2）环境光的问题，尝试用单色光源，配一个滤镜。
3）闪光曲面，考虑用散射圆顶光。
4）闪光粗糙的平面，尝试用同轴散射光。
5）检测塑料的时候，尝试用紫外光或红外光。
6）需要通过反射的表面看特征，尝试用角度线光源。
7）单个光源不能有效解决问题时考虑用组合光源。
8）频闪能够产生比常亮照明强20倍的光。
1）条形光源照射宽度最好大于检测的距离，否则可能会因照射距离远而造成亮度差，或者是因距离近而辐射面积不够。
2）条形光源的长度能够照明所需打亮的位置即可，太长会造成安装不便，同时也增加成本。一般情况下，光源的安装高度会影响到所选用条形光源的长度，高度越高，光源长度要求越长，否则图像两侧亮度会比中间暗。
3）如果照明目标是高反光物体，最好加上漫射板；如果是黑色等暗色不反光产品，则可以拆掉漫射板以提高亮度。
4）条形组合光在选择时，不一定要按照资料上的型号来选型，因为被测的目标形状、大小各不相同，所以可以按照目标尺寸来选择不同的条形光源进行组合。
5）条形组合光在选择时，一定要考虑光源的安装高度，再根据四边被测特征点的长度和宽度选择相对应的条形光进行组合。
1）了解光源安装距离，过滤掉某些角度光源。例如，要求光源安装高度高，就可以过滤掉高角度光源，选择用低角度光源，而且安装高度越高，要求光源的直径越大。
2）目标面积小，且主要特性在表面中间，可选择小尺寸0°角或低角度光源。
3）目标需要表现的特征如果在边缘，可选择90°角（垂直照射）环形光，或大尺寸高角度环形光。
4）检测表面划伤，可选择90°角（垂直照射）环形光，且尽量选择波长短的光源。
1）选择面光源时，根据物体的大小选择合适大小的面光源，以免增加成本造成浪费。
2）面光源四周由于外壳遮挡，因此其亮度会低于中间部位，因此，选择面光源时，尽量不要使目标正好位于面光源边缘。
3）面光源一般在检测轮廓时，可以尽量使用波长短的光源，波长短的光源其衍射性弱，图像边缘不容易产生重影，对比度更高。
4）面光源与目标之间的距离可以通过调整来达到最佳的效果，并非离得越近效果越好，也非越远越好。
5）检测液位可以将面光源侧立使用。
6）圆轴类的产品和螺旋状的产品尽量使用平行面光源。
1）选择同轴光时，主要看其发光面积，根据目标的大小来选择合适发光面积的同轴光。
2）同轴光的发光面积最好比目标尺寸大1.5～2倍左右，因为同轴光的光路设计是让光路通过一片45°半反半透镜改变方向，光源靠近灯板的地方会比远离灯板的亮度高，因此应尽量选择大一点的发光面，以避免光线左右不均匀。
3）同轴光在安装时尽量不要离目标太远；越远，要求选用的同轴光越大，才能保证匀性。
1）了解特征点面积大小，选择合适尺寸的光源。
2）了解产品特性，选择不同类型的光源。
3）了解产品的材质，选择不同颜色的光源。
4）了解安装空间及其他可能会产生障碍的情况，选择合适的光源。
数字图像处理系统是一门应用性很强的系统工程，不同的工厂、不同的生产线、不同的工作环境对光源亮度、工作距离、照射角度等的要求差别很大。有时受限于具体的应用环境，不能直接通过光源类型或照射角度的调整而获取良好的视觉图像，而常常需要借助于一些特殊的辅助光学器件。
常用的辅助光学器件包括：
反射镜可以简单方便的改变优化光源的光路和角度，从而为光源的安装提供了更大的选择空间。
分光镜通过特殊的镀膜技术，不同的镀膜参数可以实现反射光和折射光比例的任意调节。光源中的同轴光就是分光镜的具体应用。
不同频率的光在介质中的折射率是不同的，根据光学的这一基本原理可以把不同颜色的复合光分开，从而得到频率较为单一的光源。
光线在非金属表面的反射是偏振光，借助于偏振片可以有效地消除物体的表面反光。同时，偏振片在透明或半透明物体的检测上也有很好的应用。
漫射片是光源中比较常见的一种光学器件，它可以使光照变得更均匀，减少不需要的反光。
光纤可以将光束聚集于光纤管中，使之像水流一样便于光线的传输，为光源的安装提供了很大的灵活性。