4. 线扫光源设计与选型

线扫相机的成像方式决定了光源不能像面阵系统那样“照亮一片区域”即可，它必须把光能集中投射到一条与传感器像元列严格对齐的窄带上。这条窄带的质量——宽度、亮度、均匀性、与相机行频的同步关系——直接决定图像的信噪比、边缘锐度和缺陷对比度。本节围绕线扫光源的四个核心问题展开：用什么光源、以什么角度照明、如何与运动同步、如何把亮度做均匀。

一、LED线光源与激光线光源的取舍

LED线光源是目前产线集成中最常用的方案。它由一列或多列高亮LED经柱面透镜整形，形成一条具有一定宽度的线光斑。典型参数包括：发光长度（常见100mm、200mm、300mm、500mm，可拼接）、线宽（0.5～5mm可调）、工作距离（50～300mm）、色温或波长（白光、红光625nm、蓝光470nm、红外850nm）、以及亮度调节方式（模拟0～10V或PWM）。LED的优势是波长可选、成本可控、寿命长、可做频闪；劣势是单颗LED亮度有限，长距离或高反光场景下需要多排叠加，且线宽随工作距离变化明显。

激光线光源通过柱面镜将激光二极管整形为一条极细的线，典型线宽可做到0.1～0.3mm，亮度远高于LED，适合高反光金属表面、远工作距离（300mm以上）或需要极高对比度的场合。但激光存在散斑（speckle）问题，会在图像上形成颗粒状噪声，通常需要配合旋转漫射片或微振动机构来抑制；此外激光波长单一，对某些颜色缺陷的响应不如多波长LED灵活。选型时可参考以下判断：若检测对象为漫反射表面、工作距离小于200mm、需要多波长切换，优先LED；若对象为镜面或高反光、需要极细线宽或远距离，优先激光，并评估散斑抑制成本。

二、明场与暗场：角度决定看到什么

明场照明指光源与相机位于工件同侧，且入射角与反射角满足镜面反射条件，反射光直接进入镜头。它的效果是背景亮、缺陷暗，适合检测表面印刷字符、颜色差异、平整表面上的污点。暗场照明则把光源放到低角度（通常与表面夹角10°～30°），镜面反射光偏离镜头，只有表面纹理、划痕、凸起边缘产生的散射光才被接收。暗场的典型效果是背景暗、缺陷亮，对划痕、毛刺、异物、边缘崩缺极为敏感。

实际选型时，先明确“缺陷是改变了反射率还是改变了表面几何”。若缺陷主要改变反射率（如油污、色差），用明场；若缺陷主要改变几何形貌（如划痕、压痕），用暗场。对于复杂工件，常采用明暗场组合：同一工位布置两组光源，分时频闪，相机采集两帧图像后做差分或分别判定。例如检测金属拉丝表面，明场用于发现大面积色差，暗场用于捕捉纵向划痕，两者互补。

三、频闪同步：让光源与运动严格对齐

线扫系统中，相机按编码器脉冲逐行曝光，若光源常亮，运动模糊和热漂移会同时出现。频闪同步的做法是：编码器每输出一个脉冲，同时触发相机一行曝光和光源一次短脉冲。光源脉冲宽度通常设为曝光时间的80%～100%，既保证能量充分利用，又避免脉冲拖尾造成行间串扰。

以某产线为例：编码器分辨率5000脉冲/转，辊轮周长200mm，则每脉冲对应0.04mm。相机行频设为10kHz，对应线速度0.4m/s。光源频闪脉宽设为80μs，峰值电流设为额定值的3倍（占空比约80%），此时平均功率仍低于连续工作额定值，但瞬时亮度显著提升。调试时用示波器同时观察编码器A相、相机触发输出和光源驱动电流波形，确认三者上升沿对齐、无丢脉冲、无抖动。若发现图像出现周期性明暗条纹，通常是频闪脉冲与编码器脉冲存在相位漂移或丢脉冲，应检查编码器屏蔽接地和触发线阻抗匹配。

四、亮度均匀性控制

线光源的均匀性用线方向上亮度最大值与最小值之差除以最大值来衡量，一般要求≤5%，高精度检测要求≤3%。影响均匀性的因素包括：LED排布间距、柱面镜的像差、光源两端与中间的工作距离差异、以及多光源拼接处的重叠区。

控制手段有三类。第一，光学设计上采用复眼透镜或漫射板对LED阵列进行二次配光，把点光源阵列匀化为线光斑；第二，驱动上采用分区恒流，把长光源分成若干段独立调流，补偿两端衰减；第三，标定上使用白色漫射板采集光源线图像，计算每列像元的平均灰度，生成归一化补偿系数，在相机端做平场校正。以下是一组示例参数，用于说明分区调流的配置思路：

光源长度：400mm，分4区，每区100mm
目标线宽：2mm @ WD=150mm
初始电流：每区 700mA
标定结果（漫射板平均灰度）：
  区1：238  区2：252  区3：249  区4：235
归一化目标：245
调整后电流：
  区1：700 × (245/238) ≈ 721mA
  区2：700 × (245/252) ≈ 681mA
  区3：700 × (245/249) ≈ 689mA
  区4：700 × (245/235) ≈ 730mA
复测均匀性：由 6.8% 降至 2.4%

需要说明的是，上述数值为教学示例，实际标定应以现场漫射板采集结果为准。平场校正后仍需定期复检，因为LED光衰和镜头污染会缓慢改变均匀性分布。

五、选型检查清单

综合以上内容，线扫光源选型可按以下顺序推进：确认缺陷类型（反射率变化还是几何变化）→ 选择明场或暗场或组合 → 根据工作距离和线宽要求选择LED或激光 → 确认波长与工件光谱响应匹配 → 确认频闪频率和脉宽是否满足最高线速 → 确认均匀性指标和分区调流能力 → 确认安装空间和散热条件。每一步的结论都应记录在选型表中，作为后续集成和调试的依据。