簡介

光的工作原理可能是一個復雜的主題。成像中最大的經驗法則之一永遠不嫌有太多的光。然而，常見的問題是要獲取足夠的光線來對拍攝對象進行清晰地成像。可以通過減少特定成像對象所需的光量，以高效、審慎的方式利用光源來解決這個問題，并有助于突出細節或缺陷。一般的照明原理，探索不同的光源，以及如何在實際應用中充分利用燈光設備。例如，可以通過使用濾光片來實現計算機視覺的近紅外檢測和對比度增強。然而，使用濾光片會減少到達傳感器的光量，因此需要靈敏度更高的相機。當使用濾光片透射的特定光時，通過減少其他光可以獲得更清晰的圖像。

照明原理

當光與目標相互作用時，有四種可能的結果：被物體反射、吸收、散射或折射。然而，這些結果并不是相互排斥的，并且這些單獨的結果可能會重疊，尤其是在不同的波長處。大多數照明挑戰都涉及到減少散射光和反射光。散射光通常是視覺系統需要的，因為散射光從物體表面產生均勻的光強，而反射光會產生刺眼的“熱點”，從而難以捕捉圖像。可見的顏色取決于被吸收和反射的波長。通過增強對比度，控制光源發射的波長可以幫助我們更容易地識別細節。折射是指光如何穿過諸如水之類的介質，這不在本文涉及的范圍內。

· 反射和散射

反射和散射可以同時發生在同一目標上。光源的方向和強度將決定有多少光會被反射/散射。

圖1 液體的低角度反射

如圖1所示，鏡面平面反射導致的失真最小。鏡子、高度拋光的金屬表面和液體等材料會在低角度產生鏡面平面反射。使用此類材料時需要適當的照明位置，以免光線直接反射到相機鏡頭中。

圖2 光線不均勻的機加工金屬

鏡面多面反射在不平整的反射表面上是一種挑戰。目標的粗糙度導致光線被部分散射，但在足夠高的強度下，反射光會導致眩光并降低目標表面的對比度。這類反射在機加工金屬、新鮮焊料和軋制金屬中很常見。最后，無定形表面將入射光完全散射到各個方向，產生漫反射現象。具有這種光散射能力的材料，例如白紙、面粉或糖粉等細粉以及陶瓷通常用于照亮其他物體。通過將集中的光指向材料表面，漫反射可以均勻地照亮拍攝對象。

圖3 無定型糖霜

· 明場和暗場照明

明場和暗場照明是兩種不同的前向照明方法。這些方法可以根據照明的角度來解釋。明場照明的定義是光源位于相機視野（FoV）的反射錐內。圖4中的藍色圓錐確定了相機的FoV。位于目標前面的光被反射回相機，而FoV則由內側和外側的反射角看到。在二維模型中，這也稱為“W”照明，因為內角和外角創造了一個“W”形的邊界。

圖4 明場和暗場照明

入射角在“W”邊界之外的反射光稱為暗場照明。在圖4中，可以看到光與目標的角度要小得多，由于大部分光被反射到遠離相機鏡頭的地方，形成了高對比度。為了更好地觀察缺陷或表面變化，通常首選暗場照明，而明場照明能夠提供均勻的光線分布。

· 背光照明

通常使用面對相機的均勻光源從背后照亮目標。使用背光照明時，固體物體將顯示為黑色，背景顯示為白色，從而可以清晰地檢查目標的邊緣。最適合使用背光照明的應用包括物體輪廓驗證，以及機加工部件的金屬刮痕檢測。由于反射被引向光源，均勻的光照有利于半透明物體的成像。捕捉到的目標圖像是透射光通過目標本身的結果，使其成為反射和半透明塑料成像的絕佳選擇。

照明類型

最近的LED照明創新一直是照明行業的顛覆性影響因素，使新的配置和外形尺寸成為可能。本節將介紹一小部分照明解決方案，讓大家對可用技術有一個大致的概念。照明配置應在大規模部署前用實際設備進行測試，以確保適當的系統可靠性。在可能的情況下，應減少或移除該區域的所有外部光源，只允許選擇的光源與成像系統互動。

· 平面光源

平面光源是大多數人認為的一般照明。平面光源以相對均勻的光線分布照亮一個區域，前提是光源離拍攝對象足夠遠，不會產生“熱點”。通過精確擺放，一到兩個平面光源通常足以用于一般成像目的。

· 環形光源

照亮鏡面（高反射）表面必須使用環形光源，因為環形光源有助于消除反射并捕捉無陰影的圖像。直接將環形光源放置在相機前面，鏡頭通過環形中心的開口捕捉圖像。這樣，光線從鏡頭周圍的各個方向照射到目標上，并減少了陰影的出現。

圖5 安裝在相機鏡頭上的環形光源

· 圓頂光源

圓頂光源是照亮高鏡面和紋理表面，如球軸承、金屬圓柱體和機加工金屬的理想選擇。相機鏡頭面對圓頂的開口，在那里可以看到要拍攝的對象。從光源發出的光從內表面反射到目標上，然后通過圓頂中的開口反射回相機，如圖6所示。因此，圓頂燈的內部必須是能夠散射光且幾乎沒有鏡面反射的材料。

圖6 圓頂光源覆蓋的物體從內部被照亮并從頂部開口進行拍攝

· 結構光源

結構光源通常用于三維物體映射。結構光源通過一條或多條激光線照亮物體，如圖7所示。通過觀察光的圖案和激光線的偏差，可以確定物體的高度和輪廓。

圖7 各種結構光源

· 彩色光源

通過添加顏色或更準確地說，使用特定的波長，以及任何前面提到的光源類型（除了結構光）可以幫助增強細節或提高對比度，這取決于具體應用。使用可見光譜中較窄的部分將有選擇地照亮場景中的某些物體，而不會在同一場景中不太重要的區域產生反射。

照明實例

一些實例中，可利用光的特定屬性來增強圖像的細節。在這些例子中，傳統的白光無法產生相同的結果。

· 利用近紅外光增強視覺

紅外照明可用于多種成像解決方案，以增強人眼看不到的細節。由于大多數成像系統在近紅外波長（750-1200nm）處有一定的靈敏度，因此它們能夠看到我們肉眼無法感知的視覺信息。下面兩個場景將探討如何使用紅外光來可視化實際應用。

· 利用近紅外光透視不透明液體

許多液體可以自由透過波長較長的紅外光，這使得使用合適的設備可以透過液體獲得一定的可見度。使用Teledyne Lumenera Lt345R黑白相機和紅外光源，可以透過紅酒和可樂等不透明液體看到被遮擋的信息。圖8的例子中有一個玻璃容器，背景中印有文字。在第一張圖像中，容器是空的，可以通過玻璃讀取文字，但會有些失真。在第二張圖像中，容器中裝滿了紅酒。由于玻璃容器的內部尺寸為4x4英寸，因此相機在白光下無法看到玻璃后面的文字。在第三張圖像中，利用近紅外光，相機可以透過四英寸的紅酒看到玻璃后面的文字。

圖8 利用近紅外光照射半透明紅酒的實驗

在第二個示例（圖9）中，玻璃容器中裝滿了可樂，并在玻璃杯內放置了一個彈簧和金屬墊圈，以模擬檢測應用。通常使用近紅外光確保在將不透明液體交付給客戶之前，容器內沒有異物。這個簡單的設置展示了該系統能夠很容易地在合適的玻璃容器內看到問題。

圖9 利用近紅外光檢測可樂中的異物

· 利用近紅外光增強PCB埋線成像

當檢查印刷電路板（PCB）上被阻焊層和/或絲印字母覆蓋的區域時，使用近紅外光檢查的效率要高得多，因為這個波長的光很容易穿透薄涂層，但會從埋設的銅走線上反射。

如圖10所示，上面的圖像是可見光下PCB的一部分，下面的圖像是近紅外光下PCB的一部分。在上面的圖像中，從左側電鍍焊盤到頂部焊盤的銅走線被阻焊層和絲印的“TP 10”字樣所遮擋。在使用近紅外光的下圖中，絲印字樣幾乎看不見。銅在整個走線長度和裸焊盤處具有一致的強度。這說明阻焊層在近紅外光下對埋設的銅走線無明顯影響。

圖10 利用近紅外光檢查PCB的埋線

· 利用彩色光增強對比度

使用彩色燈光可以提高計算機視覺檢查的對比度。由于大多數視覺系統使用黑白相機，因此可以使用彩色燈光來“減弱”背景顏色，并強調系統試圖捕捉的細節。

圖11 藍色背景上兩種不同的日期戳（彩色）

可以從以下示例中的兩個日期戳看出這一點。圖11顯示了兩種日期戳的彩色圖像。左邊的日期戳使用的紅色墨水，右邊的日期戳使用的黑色墨水，均在藍色背景上。圖12中的圖像顯示了使用Teledyne Lumenera Lt345R黑白相機拍攝的相同標簽。該圖還說明了印字（圖12下部圖表中的下降）和圖中黃線上的背景（峰值）之間的像素值差異。

圖12 白光下日期戳的對比分析

在圖12中，當使用白光時，第一個字母J的灰度像素值下降約15。藍光可以產生更亮的背景并有助于提高與印字的對比度。在圖13中，通過代表同一字母的40個點的下降可以看出這一點。這是因為印字的紅色墨水吸收了所有的藍光，而背景反射了大量的藍光。在白光實驗中，紅色墨水反射白光的紅色成分，而背景反射藍色成分。這大大降低了對比度，這就是為什么用特定波長的燈光照亮目標對機器視覺應用非常有利。

圖13 藍光下日期戳的對比分析

· 偏振光和偏振濾光片

對光源進行偏振，并使用偏振濾光片，有助于缺陷檢查，如以下圖14和15所示。在本示例中，偏振濾光片放置在背光光源和相機鏡頭上。然后將塑料尺放在偏振光源上以觀察缺陷。旋轉相機上的偏振濾光片，使之與光源上的偏光濾光片對齊，透過標尺的光線顯示塑料上有劃痕

圖14 塑料尺缺陷檢測（非偏振白色背光）

將濾光片旋轉90°，阻止偏振光進入相機鏡頭。然而，塑料上的缺陷往往會改變偏振光的方向。這一原理使相機可以很容易地看到缺陷，因為它們被第二偏振濾光片透射，如圖15所示。當劃痕進一步改變光線的偏振時，缺陷就顯示為白色的痕跡。

圖15 塑料尺缺陷檢測（偏振白色背光）

結論

一幅圖像可以通過使用的光源類型以及光源照射拍攝對象的方式而發生巨大的變化。使用特定材料時，要考慮該材料如何反射光，以及光與物體接觸的角度以適當突出細節。無論是使用偏振光檢查固體表面還是使用近紅外光透過液體檢查表面，關鍵在于使用合適的照明。