在机器视觉中，影响视觉成像的一个关键参数就是选对合适的光源，不同的光源由于其本身的特性（例如角度亮度颜色等），对于相同的物体表面显现出不同的成像效果，从而会影响实际的检测效果，所以根据不同的物料特性并选择不同的打光方案，在本文中将简单介绍一些关于光源的基本知识和一常见的光源特性以及对应的打光方式。
光源的作用
在工业视觉领域中，使用光源主要作用有以下几点：
- 将检测的区域与背景区分开
- 增强待检测目标边缘的清晰度
- 消除阴影
- 抵消噪光
光源基础知识
光源类型：可按种类进行区分，环光（低角度，高角度，0 度，无影），条光，面光（开孔，平行，侧面，侧面平行），同轴（高亮，平行），无影（平面无影，环形无影，穹顶无影，穹顶光，方形无影），线光（高亮，集光型，同轴，高亮同轴），点光
环形光
特点：360 °无死角照射，高低角度均可
环形无影光源
高均匀性=独特的结构+特殊的光学材料；适合表面反光物, 曲面，弧面的检测
平面无影光源
角度均匀扩散–适合低角度照射，检测表面凹凸，大面积的字符
圆形无影光源
角度均匀扩散–适合倾斜角度照射
条形光
特点：发光尺寸，颜色设计灵活；光源的照射角度和安装角度可随意调节
同轴光
特点：可以消除物体表面不平整引起的阴影；
面光
特点：光均匀扩散，尺寸定制灵活
穹顶光
特点：半球结构，空间 360 °漫反射，光线均匀。
线光
特点：大功率高度 LED 灯珠，通常配合线扫相机使用，线光源照度高光线较为集中
点光
特点：大功率高度 LED 灯珠，体积小
光源驱动器：恒流，恒压，模拟，数字，常亮，频闪，频闪增亮等
数字控制器
特点：输出的是一个有周期性变化规律的脉冲电压信号，也就是 PWM 信号
模拟控制器
特点：输出的是没有任何脉冲成分的电压信号，且信号在其输出状态下是一种连续状态
恒流控制器
特点：输出一个没有任何脉冲成分的电流信号，且信号在输出状态下是一种连续状态
Tips：大功率恒流控制器适用于大面光源及定制的大功率或高亮光源
频闪控制器
特点：输出的是一个单次脉冲电压信号
光源参数：发光强度，颜色，波长，色温，显色性等等
打光方式：高角度，低角度，偏振光，无影光，红外、紫外，背光，结构光，相对色/相近色等
光的颜色、波长
光是电磁波，380 nm~760 nm 是可见光， <400 nm 为紫外光，>780 nm 为红外光
相近色
红色相近色：红紫，红，橙红
红色相对色：蓝绿，绿，黄绿
绿色相近色：蓝绿，绿，黄绿
绿色相对色：红紫，红，橙红
蓝色相近色：蓝紫，蓝，蓝绿
蓝色相对色：红橙，橙，黄橙
吸收反射
黑色物体对所有的颜色都吸收，反射/透射率低
物体吸收相对色的光，反射/透射率低
物体反射相近色的光，反射/透射率高
Tips：红外光的穿透性强；紫外光与荧光物质产生荧光效应；铝和银对短波的反射率远高于金，铜等其他金属
光的反射与偏振
光的反射
目标与背景宏观的形状差异会形成不同的图像效果，同样目标与背景微观的形状差异（例如表面粗糙程度的不同）也会形成不同的图像效果；
如上图所示入射光线在滑表面产生镜面反射，在粗造表面产生漫反射；
| 反射类型/区别 | 镜面反射 | 漫反射 |
|---|---|---|
| 亮暗 | 明亮 | 较暗 |
| 距离 | 与照射距离无关 | 与照射距离有关 |
| 角度 | 与角度有关 | 与角度无关 |
| 照射物 | 不反映照射物的颜色 | 反映照射物的颜色 |
光的偏振
由于光是电磁波，振动方向相对于传播方向的不对称性叫做偏振；因此在实际光源选型中有时会用到光的偏振性质来消除反光，或者进行光的筛选，达到只允许某些特殊偏振方向的光通过；偏振镜片通常都是成对的使用，光先入射的镜片叫做起偏器，光后入射的镜片叫做检偏器。
各类型的光及其特点
| 光源 | 特点 | 用途 | 对象 | 参数解读（示例） | |
|---|---|---|---|---|---|
| 环形 | 均匀照明，但是容易受反光影响 | 划伤、字符识别 | 适合表面平整的物体 | R（环形）-30 (外径)-45（灯珠角度）-W（颜色） | |
| 条形 | 角度可调，大面积照明，可消除表面反光 | 金属表面， | 其角度灵活可调节，适合需要大面积照射的场景 | S（条形）-45 (发光长度)-12（发光宽度）-W（颜色） | |
| 圆顶 | 消除表面不平整干扰 | 金属表面/镜面/玻璃 | 适合反光，曲面，凹凸等表面 | H（圆顶）-40（光源长度）-8（配合镜头口径）-W (颜色) | |
| 同轴 | 消除凹凸产生的阴影 | 表面划伤 | 适合高反光表面，激光打标字符，二维码识别等 | C（同轴）-20（发光面尺寸）-W (颜色) | |
| 点光 | 大功率 LED， | 作为镜头的同轴光源，平行点光源通常用作背光使用 | 高精度检测 | PS/HPS/PPS（点光源/高亮点光源/平行点光源）-40（光源长度）-8（配合镜头口径）-W (颜色) | |
| 面光 | 做背光，开孔做正面光 | 尺寸检测 |
光源选型
光源颜色选型的原理：
吸收与反射
色环
大致选型的流程可以参考如下流程：
- 光源的作用 合适的光源有以下特征：
- 突出目标，增强图像对比度
- 锐化图像，减少图像过度像素
- 过滤干扰，降低图像处理难度
- 稳定性
- 好的成像效果 不同材质反射差异
- 根据形状差异可以分为
| 形状 | 打光方向 | 光源 |
|---|---|---|
| 外型轮廓 | 打亮背景 | 背光 |
| 平面区域 | 打亮平面 | 前光高角度（明场） |
| 打暗平面 | 前光低角度（暗场） | |
| 台阶边缘 | 打亮边缘 | 前光低角度（暗场） |
| 打暗边缘 | 前光高角度（明场） | |
| 曲面，斜面 | 打亮曲面，斜面 | 漫射无影光/特定角度光源 |
| 打亮曲面，斜面 | 前光高角度（明场）/同轴光 | |
| 透明体 | 打亮背景 | 背光 |
| 打亮目标 | 平行同轴光 | |
| 2. 根据粗糙度可以分为光滑表面和粗糙表面 |
| 特征 | 打光方向 | 光源 |
|---|---|---|
| 光滑目标，粗糙背景 | 打亮目标 | 漫射无影光（高角度）/同轴光 |
| 粗糙目标，光滑背景 | 打亮目标 | 前光低角度（暗场） |
| 打亮背景 | 同轴光/漫射无影光 | |
| 粗糙目标，粗糙背景 | 打亮目标 | 漫射无影光 |
| 明场：指光源直接照射物体表面，反射光线进入照相机形成图像的过程。在这种照明方式下，光线以高角度 (45°至 90°) 照射物体，使得大量反射光进入镜头，从而形成清晰的图像。 | ||
| 特点与优势： | ||
| 高对比度：明场照明有助于形成高对比度的图像，使物体的轮廓和细节更加清晰。 | ||
| 全明场照明：全明场照明能够从多个方向照射物体，产生无方向、柔和的反射光，适合观察物体表面的整体形貌。 | ||
| 灵活性：部分明场照明则通过从某一角度照射物体，使损伤处与背景形成对比，适用于检测物体表面的微小损伤。 | ||
| 应用场景： | ||
| 观察物体的整体形貌和尺寸。 | ||
| 检测物体表面的细小凸起和破损。 | ||
| 适用于非镜面物体或表面较为粗糙的物体。 |
暗场：是一种从低角度 (小于 45°) 照射物体的照明方式。在这种方式下，平滑面的反射光向四周散射，无法直接进入镜头，而凹陷或凸起的地方则因反射光角度更大，有更多光线进入镜头，形成更亮的成像。 特点与优势： 边缘凸显：暗场照明能够凸显物体的边缘和轮廓，使细节更加突出。 缺陷检测：对于具有纹理或高度变化的表面，暗场照明能够清晰地显示出缺陷和损伤。 高对比度：尽管整体图像较暗，但缺陷处与背景之间的高对比度使得缺陷更加易于识别。 应用场景： 观察晶体缺陷、位错和孪晶等微观结构。 检测物体表面的微小划痕和凹陷。 适用于镜面物体或表面平滑的物体。
光源照射角度以及高低的不同从而形成明暗场不同方式
光源位置示意图：
计算光源尺寸
参数说明：WD 表示镜头的工作距离，wd 表示光源的工作距离，FOV 表示视场大小，θ表示视场角；
L 的含义：
明场照明和背光：L 表示发光面积外径（长、宽）尺寸，内径受视场角范围限制；
暗场照明：L 表示发光面积内径（长、宽）尺寸，外径受设备安装空间限制；
无影光：内径大于视场角范围，外径越大越好（受设备安装空间限制）；
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