机器视觉中照明的目的是使被测物的重要特征显现，而抑制不需要的特征。为达到此目的，我们需要考虑光源与被测物间的相互作用，其中最核心的因素就是光源和被测物的光谱组成，我们可以用单色光照射彩色物体以增强被测物相应特征的对比度，以及照明的角度，其可以用于增强某些特征。物体表面的几何形状和光滑度决定了光在物体表面的反射情况。光在光滑度高的物体表面可能发生高度反射（镜面反射）或者高度漫反射。决定镜面反射还是漫反射的主要因素是物体表面的光滑度。物体表面的形状越复杂，其表面的反射情况也随之而复杂。比如对于一个抛光的镜面表面，光源需要在不同的角度照射，以此来减小光源。这些都需要通过照明角度来进行控制。 光源的入射方向取决于光源的类型和相对于物体放置的位置。一般来说有两种最基本的方式：直射光和漫射光，所有其他的方式都是从这两种方式中延伸出来的。 ①直射光：入射光基本上来自一个方向，入射角小，光集中在非常窄的空间范围内，能投射出物体阴影。 ②漫射光：入射光来自多个方向，甚至所有的方向，光在各个方向的强度几乎是一样的，不会投射出明显的阴影。 实际应用中有以下几种常见的照明方式： ①直接照明：其是指光直接射向物体，得到清晰的影像。直接照明适用于得到高对比度的图像。若直接照在光亮或者反射的材料上，则会引起像镜面的反光。其最大好处是便于安装。直接照明一般采用环形光源或点光源。环形光源是一种常用的照明方式，易安装在镜头上，可为漫反射表面提供充足的照明。明场漫射正面照明方式常用于防止产生阴影，并用于减少或防止镜面反射，也可以用于透过被测物体的透明包装，如下图： 明场直接正面照明有两种方法：一种是使用倾斜的环形光，常用于使孔洞或感兴趣区域产生阴影，这种照明方式的缺点是光线分布不均匀；另一种是使用同轴平行光，常用于采集会产生镜面反射的物体图像。如下图： ②暗场照明：其为物体表面提供低角度照明。使用相机拍摄镜子，使其在相机的视野内，如果在视野内能看见光源，则为亮场照明，反之为暗场照明。因此，光源是亮场照明还是暗场照明取决于光源的位置。典型的暗场照明可以突出被测物的缺口及凸起，可增强像划痕、纹理或雕刻文字等特征，应用于表面部分有突起或有纹理变化的照明。如下图： ③背光照明：其是指从物体背面射过来均匀视场的光。背光方式只显示不透明物体的轮廓，常用于被测物体需要的信息可以从其轮廓得到的场合，如测量物体的尺寸和确定物体的方向。背光照明可以产生很强的对比度，通过相机可以看到物面的侧面轮廓。应用背光照明技术时，物体表面特征可能会丢失。例如，可以应用背光照明技术测量硬币的直径，但是却无法判断硬币的正反面。对于透明物体，背光可以用于检测被测物的内部部件，可避免使用正面照明造成的反射。漫射背光对于有一定高度的被测物，其在相机一侧的某些部分也可能会被照亮，因此漫射背光主要用于厚度不大的被测物，平板金属工件和灯泡中的灯丝是常用明场漫射背光照明的两类被测物。如下图： 明场平行光背光照明需要使用远心镜头配合，而且照明与镜头位置需要仔细调整，这种照明会使被测物轮廓非常锐利。此外，由于使用远心镜头，图像也没有透射变形，所以这种照明常用于测量应用。如下图： ④连续漫反射照明：其适用于物体表面有反射或者表面角度复杂的情况。连续漫反射照明应用半球形的均匀照明，以减少影子及镜面反射。这种照明方式可用于完全组装的电路板照明，可以达到170°立体角范围的均匀照明。 ⑤同轴照明：其通过垂直墙壁的发散光，照射到一个使光向下的分光镜上，相机从上方通过分光镜看物体。同轴照明适用于检测高反射率的物体，也适用于受周围环境阴影的影响、检测面积不明显的物体。 ⑥结构光照明：其可以通过检查具有投影光图案，来测量3D表面信息。不透明表面上的投射光使我们能够使用二维传感器获得三维信息。借助光模式可以： <1>检查三维零件的存在 <2>测量一个点的高度 <3>测量沿线的宏观高度分布 <4>测量沿线的微观粗糙度 <5>测量零件的完整形貌/平面度。 一般采用编码光的方式可以提高分辨率。 应用结构光照明的条件是： <1>被检测部件具有散射和非镜面表面（用于表面测量） <2>被检测部件具有反射背面（用于透明材料） <3>被检测部件不包含可见的底切（用于检测整个地形）。带有底切的测试对象无法将照明的投影线分配给零件上的解释线。 一维线光结构，光线的投影导致了所谓的光缝法的原理。以一定角度投射到表面上的直线的变形给出了关于沿测试对象表面上的截面的高度信息（如下图）。其用于测量零件的微观表面粗糙度，也可用于检查较大零件的截面。 二维线格形状的光结构，多条平行线或其他二维光结构的投影允许评估完整的表面（如下图）。为了计算完整表面（地形）的高度特性，需使用复杂的数学算法。 可用于三维测量的光组件包括： <1>具有各种形状的光束整形光学器件的二极管激光器提供几乎与距离无关的光几何测量，结构宽度低至0.05mm。 <2>具有自适应光和智能光结构序列的LCD投影仪。 这组照明可以被认为是明场入射光的一个子类别，因为在成像传感器上的结果看起来很相似。效果是由零件的散射表面产生的。 除了以上几种常用照明方式外，还有在特殊场合所使用的其他照明方式： ①在线阵相机中使用的亮度集中的条形光照明 ②在精密尺寸测量中与远心镜头配合使用的平行光照明。光的照射角度一致，太阳光就是平行光，发光角度越窄的LED直射光越接近平行光。 ③在高速在线测量中为减小被测物模糊而使用的频闪光照明 ④可减少杂光干扰的偏振光照明，其在垂直于传播方向的平面内，光矢量延某一固定方向振动的光（通常利用偏光板来防止特定方向的反射） ⑤很多复杂的被测环境需要两种或两种以上的照明方式共同配合完成。 丰富的照明方式可以解决视觉系统中图像获取的很多问题，光源照明方式的选择对视觉系统的成功至关重要。 为了找到最佳的照明设置，理论分析只是辅助，必须根据样品部件的实验确认设置。为了找到照明角度，使用单个离散灯可能会有所帮助，然后继续选择合适的灯。需要记录光线、零件和相机的对齐情况。为了在相似设置之间取得平衡，必须捕获图像并进行比较以获得最大对比度。在检查多个特征时，可能需要不同的照明设置。必须检查不同灯对图像的影响。 针对上述实际需求，安利一下：基恩士有一款照明产品叫LumiTrax，其可通过专用的IC控制，在一款光源下实现不同角度的照明。

对闪光灯照明的一些要求： ①闪光灯内部的延迟、上升、下降时间短 ②闪光灯重复率>所用相机的帧率 ③EMC能力 ④寿命长 ⑤寿命后亮度损失低（无法补偿！） ⑥恒定光能下的可变闪光时间 ⑦可变闪光亮度而不改变闪光时间。 使用闪光灯的一些注意事项： ①闪光灯的短光脉冲宽度使其成为需要停止运动的应用（例如高速检查）的绝佳选择。 ②闪光灯可用于将生产线上的零件冻结在相机下方进行检查时。触发闪光灯的一致性也是这些应用的主要优势。 ③使用闪光灯可以缩短曝光时间（低至1/200 000秒），而不是来自成像传感器的预设（通常为1/30 000~1/60 000秒）。此外，对于没有快门的传感器，可以闪光到标准曝光时间。采用卷帘快门技术的传感器不适合与闪光灯组合使用——为此需要逐行扫描。 ④闪光灯（和短曝光时间）适合抑制环境光的影响，但这需要比环境光高几倍的闪光灯光能。 从理论中可以看出，对于入射光和透射光，闪光应用都是可能的。注意测试对象的反射率。许多真实零件的有限反射率使得无法使用入射闪光灯。反射光的量太少了。具有透射光的闪光灯应用通常可靠地工作。 运动模糊是零件在曝光或闪光期间移动的效果。这可能是由以下原因引起的： ①曝光期间部件移动 ②曝光期间相机移动（振动） ③曝光时间过长 ④照明时间过长（闪光时间）。 注意：通常图像中一个像素的运动模糊是可以用于清晰成像的（可能有例外）。 运动模糊的大小可由下式确定： 其中，MB为图像中的运动模糊；Sexp为曝光时间/闪光时间期间零件的运动；PR为像素分辨率；no.of pixels为像素数，传感器在零件运动方向上使用的像素数；FOV为相机在零件运动方向上的视场长度。 上面的公式说明了更好的像素分辨率使应用程序对运动模糊更加敏感。为了避免这种情况，可以缩短曝光时间和/或闪光时间。 基于对恒定曝光H = E*t的需求，如果使用闪光灯照明，则需要在图像中达到相同的亮度以显着增加照明功率（照度E）。为了在图像中生成相同的亮度（恒定的f-stop数），以下示例性关系是有效的： 该示例表明，对这种高照度的需求只能在短时间内满足，并且只能通过闪光灯光源来满足。对足够闪光灯能量的需求通常与对大景深的需求相关联。对于更大的焦深，更强的封闭式光圈将再次增加对更多光线的需求。更大的光圈数意味着需要双倍的光量。 选择闪光灯的一般步骤： ①找到匹配的照明技术：用静态光检查照明：可能还是不可能？ ②确定灯光颜色：注意与零件颜色的相互作用。 ③确定照明尺寸 ④照明组件可用作脉冲或闪光模型？ ⑤时间和亮度考虑（很大程度上取决于设计）：带闪光灯的入射光：比1/10 000秒更短的闪光时间大多是有问题的脉冲光入射光：短于1/2000秒的闪光时间大多是有问题的透射光。使用闪光灯：最高可达1/200 000s透射光。使用脉冲光：大约最高可达1/20 000s ⑥可达到的闪光重复率（很大程度上取决于设计）

机器视觉的工业场景并没有像实验室那样提供理想的照明环境。实验室测试的照明在工厂车间也不能自动工作。最大和不可估量的影响来自环境光和外来光。它可以是静态的（来自工厂大厅的照明）或动态的（通过窗户射入的阳光）。尽量减少环境光影响的第一个条件是选择尽可能强大的照明，称为正确选择的照明技术。目的是计算出的照明功率（在所考虑的光谱带内）比环境光强。如果能保证这一点，可以尝试通过以下方式尽量减少环境光的影响： ①选择更短的曝光时间 ②选择更大的光圈数 ③选择闪光灯 ④同时选择所有这些措施。 注意：初步检查视觉系统安装位置的环境和外来照明条件。也可以通过视觉系统测量来检查它，而不仅仅是通过你的主观眼睛。感受一下环境光的强度。在选择照明技术、照明组件和软件算法时要考虑到这一点，一些选项会自动被拒绝。 使用单色光或红外光与滤光片相结合来抑制环境光的影响。一种简单但非常有效的方法是用不透明的外壳（内部需通过刷漆等手段，增强吸光性能）封装相机—光学—照明单元。这是一种久经考验的方法，其在各种条件下都有效的对环境/外来光抑制。如果不清楚以后机器安装在哪里，这种方法将是最安全的。

以上就是关于照明光源要讲的内容，欢迎大家对本文章进行补充和指正。

《Halcon机器视觉算法原理与编程实战》，北京大学出版社 《海康机器视觉认证工程师官方资料》 《Handbook of Machine and Computer Vision——The Guide for Developers and Users》，Alexander Hornberg，Wiley 《KEYENCE产品综合目录》