2. 光与视觉成像基础

机器视觉系统的第一步，是把被测物的光学信息“翻译”成传感器可量化的电信号。这个翻译过程涉及四个层层递进的物理环节：光源发出电磁波、光以照度形式落到物体表面、物体按自身反射特性重新分配光能、相机把进入镜头的可见光按波长转换为颜色与灰度。理解这条链路，才能判断“为什么图像是这样的”，进而决定打光方案该怎么改。

电磁波谱与可见光：相机只“看见”一小段

光本质是电磁波。人眼和常规工业相机的响应范围都集中在约 380～780 nm 的可见光波段，其中 380～450 nm 偏紫蓝、450～495 nm 蓝、495～570 nm 绿、570～590 nm 黄、590～620 nm 橙、620～780 nm 红。短于 380 nm 的紫外和长于 780 nm 的红外，人眼不可见，但硅基传感器仍有响应——这正是许多工业相机需要加装红外截止滤光片（IR-cut）的原因，否则红外分量会混入成像，导致颜色失真、对比度下降。

对打光选型的直接意义是：光源波长决定了“用什么光去激发什么响应”。例如 850 nm 红外光对许多深色塑料有一定穿透性，可用于检测表面下的异物；紫外光可激发荧光标记；而单色光（如红光 630 nm、蓝光 470 nm）能显著改变特定颜色物体的明暗对比。选型时先明确“要突出什么特征”，再反推需要哪个波段。

亮度与照度：光源能量如何落到物体上

工程上最容易混淆的是两个量。照度（单位 lux）描述“有多少光落到单位面积上”，是物体表面接收到的光通量密度；亮度（单位 cd/m²）描述“从某个方向看，单位面积发出或反射的光强”，是进入眼睛或镜头的量。相机最终记录的是物体表面的亮度，而亮度由照度和物体反射率共同决定：

表面亮度 L ≈ (照度 E × 反射率 ρ) / π   （朗伯面近似）

这个关系说明：提高照度能整体提亮图像，但无法改变物体之间的相对明暗比例；真正决定“特征是否突出”的是反射率差异。举例来说，若背景反射率 80%、目标反射率 20%，照度从 500 lux 提到 2000 lux，两者亮度都提高 4 倍，对比度比例不变，只是整体更亮、噪声相对更小。因此调光时先保证足够照度让传感器工作在信噪比良好的区间，再通过波长、角度、偏振等手段放大反射率差异。

反射与透射：光能的两条去向

光到达物体表面后，一部分被反射，一部分被吸收，一部分可能透射。对不透明工件，主要关注反射；对透明或半透明对象（玻璃、薄膜、液面、透明包装），透射光才是成像的关键。透射成像常采用背光（透射照明），让相机接收穿过物体的光，此时图像亮暗直接反映物体的透光率分布——内部气泡、杂质、厚度不均会表现为暗区，边缘轮廓则异常清晰。背光适合尺寸测量和透明缺陷检测，但不适合检测表面划痕，因为表面信息在透射方向被“穿透”掉了。

漫反射与镜面反射：决定打光角度的核心

反射按表面粗糙度分为两类。粗糙表面（如喷砂金属、纸张、多数塑料）产生漫反射，入射光向各方向均匀散射，从任意角度观察亮度差别不大，适合用漫射光或环形光均匀照明。光滑表面（如抛光金属、玻璃、镜面）产生镜面反射，入射角等于反射角，只有在特定几何位置才能看到强反光，其他位置则很暗。

这直接决定了打光几何。检测镜面工件的表面划痕，若用正面直射光，镜面反射会把光源像直接送入镜头造成过曝，划痕反而被淹没；改用低角度暗场照明，让镜面反射光偏离镜头，只有划痕等微小起伏散射的光进入相机，缺陷便以亮线形式凸显。反之，检测镜面平整度或字符，则可用同轴光，让光沿镜头光轴照射，平整区域反射回镜头呈亮场，凹凸缺陷呈暗场。同一工件、同一相机，仅改变入射角，图像信息就完全不同——这是打光调试中最值得反复验证的变量。

颜色与波长对成像的影响

彩色相机通过拜耳滤色阵列把红、绿、蓝三个通道分开采样，再插值还原颜色。这意味着颜色信息本质上是“不同波长反射率的比值”。当光源光谱与物体反射光谱匹配时，颜色还原准确；当光源缺某波段（如低压钠灯几乎只有黄光），颜色就会严重失真。工业上更常用单色相机配单色光，因为单色成像没有插值损失，分辨率更高，且可以通过“同色增亮、补色压暗”主动制造对比。

一个典型示例：检测绿色 PCB 上的白色丝印字符。若用白光，绿板与白字都较亮，对比一般；改用红光（约 630 nm），绿板强烈吸收红光而变暗，白字反射红光仍很亮，对比度显著提升。反过来，若要检测绿色板上的绿色缺陷，红光会让两者都变暗、难以区分，此时应改用绿光或蓝光，让缺陷与背景的反射差异显现。选色原则可归纳为：想让某区域变暗，就用它吸收最强的波长；想让某区域变亮，就用它反射最强的波长。

把基础量落到调试动作上

面对一幅不理想的图像，可按以下顺序排查，而不是盲目换光源：先看整体亮度是否落在传感器线性区（避免过曝削顶或欠曝噪声主导），再判断对比度不足是照度问题还是反射率差异问题，然后检查反射类型是否与当前打光角度匹配，最后确认光源波长是否与目标颜色形成有效反差。多数“打光调不好”的案例，问题都出在把镜面件当漫反射件打光，或用了与目标同色的光导致特征被“洗掉”。把电磁波谱、照度亮度、反射类型、波长与颜色这四组概念串成一条判断链，选型就从试错变成了有依据的推理。