3. 光源系统调试实战
光源是工业视觉系统的“第一道成像参数”。相机、镜头、算法再优秀，如果光没有把被测特征“照亮成可分辨的差异”，后续处理都无从谈起。光源调试的核心不是把画面调亮，而是通过亮度、入射角度、波长、均匀性和工作模式五个维度，让目标特征与背景之间形成稳定、可重复的对比度。本节围绕这五个维度展开选择依据，并给出老化与污染的排查方法。
一、亮度：先满足对比度，再谈曝光余量
亮度调节的目标是让特征区域的灰度落在相机响应曲线的线性段内，而不是接近饱和。以常见的 8 bit 灰度相机为例，若目标特征灰度目标区间设为 100～200，背景控制在 30～80，则特征与背景的灰度差应稳定大于 40～60，才能抵抗噪声与轻微位置波动。调试时先固定曝光时间与增益，再调光源电流或 PWM 占空比，观察直方图：若特征峰值贴到 255，说明过曝，边缘细节会被“削平”；若峰值低于 60，则信噪比不足，噪声会在阈值分割时被放大。
亮度并非越高越好。高亮度会带来两个副作用：一是发热导致 LED 波长漂移与光衰加速；二是高反光表面（如金属、玻璃）容易产生镜面反射，把局部区域推到饱和，反而丢失特征。因此亮度调试应遵循“够用即止”的原则，并保留约 20% 的电流余量，用于补偿后续光衰。
二、角度：决定特征以何种方式被“看见”
入射角度是光源调试中最具技巧性的参数。同一套光源，角度不同，成像结果可能完全相反。常见角度策略包括：
- 低角度（约 10°～30°）：适合突出表面划痕、凹凸、字符浮雕等高度变化特征，因为低角度光会在微小起伏处产生阴影，形成明暗对比。
- 高角度（约 60°～80°）：适合均匀照亮平面、读取印刷字符或检测颜色差异，阴影少、整体亮度均匀。
- 同轴/垂直入射：适合高反光平面上的标记检测，光线垂直进入镜头，镜面反射被抑制，只有散射特征被相机接收。
- 背光（透射）：适合轮廓、孔洞、透明件尺寸测量，目标呈黑色剪影，边缘对比度极高。
实际调试时，可先固定光源类型，再以 10° 为步进旋转或更换角度，记录每种角度下特征与背景的灰度差。选择灰度差最大且重复性最好的角度，而不是主观“看起来最亮”的角度。
三、波长：用颜色换对比度
波长选择本质上是利用材料的光谱反射特性。基本原则是：让目标特征吸收光，让背景反射光，或反之。例如，红色光源照射红色油墨时，油墨反射红光，与白色背景对比度低；改用绿色光源，红色油墨吸收绿光呈暗色，白色背景反射绿光呈亮色，对比度显著提升。同理，蓝色光源常用于检测黄色或金色标记，红外光则适合穿透某些塑料或抑制表面反光。
选择波长时还需考虑相机量子效率。多数黑白相机在 500～600 nm 附近量子效率较高，若选用 850 nm 红外光源，需确认相机在该波段的响应是否足够，否则亮度补偿会带来噪声。此外，环境光中的钠灯、日光灯含有特定谱线，可能干扰窄带滤光片方案，调试时应关闭或屏蔽环境光。
四、均匀性：避免“局部过曝、局部欠曝”
均匀性差的直接后果是同一特征在不同位置灰度不一致，导致阈值分割或模板匹配在边缘区域失效。评估均匀性时，可在无被测物的白纸上采集图像，计算 ROI 内灰度的最大值、最小值与均值，用 (最大值−最小值)/均值 作为不均匀度指标。工程上一般要求不均匀度小于 10%～15%，高精度测量场景应小于 5%。
改善均匀性的手段包括：增加光源与被测面的距离、使用漫射板或积分球、采用多光源对称布置、对光源进行分区独立调光。若使用条形光源，应避免单侧照射造成的亮度梯度，可改为两侧对射或四边环绕。
五、频闪与常亮：按运动与寿命需求选择
频闪模式让 LED 在相机曝光瞬间以高电流短脉冲点亮，优点是亮度高、发热小、寿命长，适合高速运动物体拍摄。常亮模式则持续点亮，适合静态检测或需要连续观察的场景。选择依据可归纳为：
- 被测物运动速度高、曝光时间短 → 优先频闪，用短脉冲冻结运动。
- 需要连续视频流或人眼观察 → 常亮。
- 光源安装空间封闭、散热困难 → 频闪，降低平均功耗。
- 频闪需与相机触发信号同步，注意脉冲宽度应覆盖曝光窗口，并留出触发延迟余量。
频闪调试的关键参数是脉冲宽度与触发延迟。若脉冲宽度小于曝光时间，图像会偏暗；若触发延迟过大，脉冲落在曝光窗口之外，图像会全黑。建议用示波器同时观察相机触发信号与光源驱动信号，确认脉冲完全覆盖曝光区间。
六、光源老化与污染的排查方法
光源是消耗品，LED 在长期高温、高电流下会出现光衰，出光面也会因油污、粉尘、切削液飞溅而污染。两者都会导致图像质量下降，但表现不同，排查方法也不同。
老化排查：在系统验收时保存一张“基准白纸图”，记录 ROI 平均灰度、不均匀度和特征灰度差。运行一段时间后，用完全相同的光源电流、曝光时间和增益重新采集，若平均灰度下降超过 15%～20%，且排除相机与镜头因素后，可判定为光源光衰。此时可适当提高电流补偿，但需注意补偿会加速二次光衰，若补偿后仍无法满足对比度要求，应更换光源。
污染排查：污染通常表现为局部暗斑或均匀性突然变差。在白纸成像中，若出现位置固定的暗区，且擦拭光源出光面后暗区消失，即可确认是污染。清洁时应使用无水乙醇和无尘布，沿同一方向轻擦，避免划伤漫射板。对于油污严重的场景，可加装透明保护罩，定期更换或清洗保护罩，而不是直接擦拭光源本体。
综合来看，光源调试是一个多参数耦合的过程：亮度决定信噪比，角度决定特征显现方式，波长决定材料对比度，均匀性决定全视野一致性，频闪与常亮决定运动适应性与寿命。五者需要协同调整，并以基准图和量化指标作为判断依据，才能让成像系统在长期运行中保持稳定。