2.3 光源
机器视觉系统的核心是图像采集和处理。所有信息均来源于图像，因此，图像本身的质量对整个机器视觉系统而言极为关键。光源是影响图像质量的重要因素，通过合适的光源照明设计，可使图像中的目标信息与背景信息得到最佳分离，从而大大降低图像处理算法的分割、识别难度，同时提高系统的定位、测量精度，以及系统的可靠性。反之，如果光源设计不当，则会导致在图像处理算法设计和成像系统设计中事倍功半。
因此，光源及光学系统设计是机器视觉系统的重要组成部分。在机器视觉系统中，光源的作用至少有以下几种：照亮目标，提高目标亮度；形成有利于图像处理的成像效果；克服环境光干扰，保证图像的稳定性。
目前，机器视觉系统中的光源主要为LED（发光二极管）灯，由于其具有形状多样、使用寿命长、响应速度快、颜色多样、综合性价比高等特点，在行业内应用广泛。
2.3.1 颜色
常用的光源颜色有白色、蓝色、红色、绿色等，光谱图如图2-17所示。RGB是工业中的一种颜色标准，通过对红（R）、绿（G）、蓝（B）三个颜色通道的变化，以及它们之间的叠加得到其他颜色，如图2-18所示。
图2-17
图2-18
1.白色光源（W）
白色光源通常利用色温来界定：色温高的颜色偏蓝（冷色，色温大于5000K）；色温低的颜色偏红（暖色，色温小于3300K）；色温界于3300～5000K之间的颜色称为中间色。白色光源的适用性广、亮度高，在拍摄彩色图像时应用较多。
2.蓝色光源（B）
蓝色光源的波长为430～480nm，适用于银色背景的产品（如钣金、汽车加工件等）、薄膜上的金属印刷品。
3.红色光源（R）
红色光源的波长为600～720nm。其波长较长，可以穿透一些比较暗的物体。例如，黑色的透明软板孔位、绿色的线路板等。采用红色光源照射时，可提高对比度。
4.绿色光源（G）
绿色光源的波长为510～530nm。其波长界于红色与蓝色之间，适用于红色背景的产品、银色背景的产品（如钣金、汽车加工件等）。
5.红外光源（IR）
红外光源的波长为780～1400nm。红外光属于不可见光，透过力强，一般应用在LCD屏检测、视频监控等方面。
6.紫外光源（UV）
紫外光源的波长一般为190～400nm。其波长短、穿透力强，主要应用在证件检测、触摸屏ITO检测、布料表面破损检测、点胶溢胶检测，以及金属表面划痕检测等方面。
2.3.2 分类
机器视觉系统使用的光源主要有卤素灯、氙气灯、荧光灯、LED灯。4种光源的对比如图2-19所示。
图2-19
1.卤素灯
卤素灯又称钨卤灯泡、石英灯泡，是白炽灯的一个变种。其工作原理是在灯泡内注入碘或溴等卤素气体，在高温下，升华的钨丝与卤素发生化学作用，冷却后的钨会重新凝固在钨丝上，形成循环，以避免钨丝过早断裂。卤素灯主要应用在需要集中照射的场合，例如，数控机床、轧机、车床、车削中心、金属加工机械、汽车前/后灯，以及家庭、办公室、写字楼等公共场所。其使用寿命约为1000小时。对卤素灯的优缺点说明如下。
· 优点：成本低廉、亮度高。
· 缺点：响应速度慢，几乎没有亮度和色温的变化。
2.氙气灯
氙气灯的内部充满包括氙气在内的惰性气体的混合体，主要应用在汽车车灯和户外照明等场所，使用寿命约为1000小时。对氙气灯的优缺点说明如下。
· 优点：亮度高，色温与日光接近。
· 缺点：响应速度慢、发热量大、寿命短、工作电流大、供电安装的要求严格、易碎。
3.荧光灯
荧光灯又称日光灯，利用低气压的汞蒸气在通电后释放紫外线，从而使荧光粉发出可见光，因此，荧光灯属于低气压弧光放电光源。荧光灯主要应用于服装、百货、超级市场、食品、水果、展示窗等色彩绚丽的场合，使用寿命为1500～3000小时。对荧光灯的优缺点说明如下。
· 优点：扩散性好，适合大面积的均匀照射。
· 缺点：响应速度慢，亮度较暗。
4.LED灯
LED灯的芯片采用半导体材料，利用银胶或白胶固化到支架上，并用银线或金线连接芯片和电路板，四周利用环氧树脂密封，从而起到保护内部芯片的作用，最后安装外壳。LED灯的抗振性能较好，使用寿命为10 000～30 000小时。可以利用多个LED灯达到较高亮度，并组合成不同的形状，响应速度快，波长可以根据用途选择，具有环保节能、价格低廉的特点。所以，机器视觉系统的光源大多选用LED灯。
按照形状不同，LED光源通常分为以下几类。
（1）环形光源
环形光源的实物图如图2-20（a）所示，照射示意图如图2-20（b）所示。环形光源的特点如下。
· 可将不同照射角度、不同颜色的光源组合，从而突出物体的三维信息。
· 采用高密度LED阵列设计，亮度较高。
· 多种紧凑设计，可节省安装空间。
· 可解决对角照射的阴影问题。
· 可选用漫射板导光，光线均匀扩散。
图2-20
环形光源可应用于PCB基板检测、芯片检测、显微镜照明、液晶校正、塑胶容器检测、集成电路的印字检查等场景中。
（2）背光源
背光源的实物图如图2-21（a）所示，照射示意图如图2-21（b）所示。其采用高密度LED阵列设计，可提供高强度的背光照明，并突出物体的外形轮廓特征，尤其适合作为显微镜的载物台。背光源分为多种，如红白两用背光源、红蓝两用背光源等。通过调配出不同的颜色，可满足不同被测物的多色要求。
图2-21
背光源可应用在机械零件尺寸的测量、电子元件的检测、芯片的外形检测、胶片污点的检测、透明物体的划痕检测等场景中。
（3）条形光源
条形光源的实物图如图2-22（a）所示，照射示意图如图2-22（b）所示。条形光源是较大被测物的首选光源，颜色可根据需求搭配、自由组合，照射角度可调。
图2-22
条形光源可应用于金属表面检查、图像扫描、表面裂缝检测、液晶显示器面板检测等场景中。
（4）同轴光源
同轴光源的实物图如图2-23（a）所示，照射示意图如图2-23（b）所示。同轴光源可以消除因物体表面不平整而引起的阴影，从而减少干扰。同轴光源的特点如下。
· 采用分光镜设计，可减少光损失、提高成像的清晰度。
· 可均匀照射物体表面。
图2-23
同轴光源可应用于反射度极高的物体表面划伤检测（如金属、玻璃、胶片、晶片等）芯片和硅晶片的破损检测、Mark点定位、条码识别等场景中。
（5）点光源
点光源的实物图如图2-24（a）所示，照射示意图如图2-24（b）所示。点光源的特点如下。
· 功率大、体积小、发光强度高。
· 作为卤素灯的替代品，非常适合作为镜头的同轴光源。
· 具有高效散热装置，大大提高了光源的使用寿命。
图2-24
点光源可应用于芯片检测、Mark点定位、晶片及液晶玻璃的基底校正等场景中。
（6）碗状光源（球积分光源）
碗状光源的实物图如图2-25（a）所示，照射示意图如图2-25（b）所示。碗状光源可均匀反射从底部发出的光线，从而使整个图像的亮度均匀。
图2-25
碗状光源可应用于曲面表面的检测、凹凸表面的检测、弧形表面的检测，以及金属、玻璃等表面反光较强的物体表面检测场景中。