4. 光源类型与照明几何

在工业视觉成像链中，光源不是“把物体照亮”的辅助件，而是决定缺陷能否被相机“看见”的第一道物理调制器。同一块金属表面的划痕，用环形光可能完全隐没，换成低角度暗场条形光却会立刻变成亮线；同一片玻璃的脏污，用同轴光可能被镜面反射淹没，改用背光则直接变成清晰的黑斑。理解光源，核心是理解三件事：光从哪个方向来、以什么方式落到被测面、反射后进入镜头的能量分布如何。

一、光源类型：LED、激光、卤素与它们的取舍

工业现场最常用的是LED光源。它寿命长（通常2万～5万小时）、响应快、可做成任意形状、可脉冲频闪，且波长可选（红、白、蓝、红外、紫外）。对多数缺陷检测，LED是默认选择。其局限在于单颗功率有限，大面积高亮度时需密集排布并考虑散热。

激光光源的特点是方向性极强、单色性好、亮度高，适合需要结构光、线扫描或高准直照明的场景，例如激光三角测量、3D轮廓扫描。但激光的相干性会带来散斑噪声，直接用于面阵成像时反而可能降低图像质量，通常需要配合旋转扩散片或改变波长来抑制。

卤素灯是连续光谱、高亮度的传统光源，显色性好，适合需要宽光谱响应的场合。缺点是发热大、寿命短（约1000～2000小时）、亮度随时间衰减，且需要光纤或聚光结构传导。在需要稳定长期运行的产线上，卤素正逐渐被高亮度LED替代，但在某些特殊材料（如某些红外响应材料）检测中仍有价值。

二、照明几何：明场、暗场与角度选择

照明几何的核心参数是入射角。定义：入射角为光线与工件表面法线之间的夹角，0°表示垂直照射，90°表示掠射。这个定义在全文和图示中保持一致。

明场照明指光线以较小入射角（通常0°～45°）照射，镜面反射或漫反射光直接进入镜头，背景亮、缺陷暗或亮取决于缺陷的反射特性。它适合检测表面印刷、字符、颜色差异、大面积污渍。缺点是镜面工件上容易产生过曝光斑。

暗场照明指光线以较大入射角（通常60°～85°）掠射工件表面。平整表面把光反射到镜头之外，视场呈暗背景；只有划痕、凸起、边缘、颗粒等会改变反射方向，把光散射进镜头，形成亮特征。暗场是检测划痕、裂纹、毛刺、异物最有效的方式之一。

下面这张图把常见照明方式按“入射角—典型对象—缺陷可见性”组织在一起，便于快速对照选择。

三、距离、均匀性与方向性

工作距离直接影响照度。点光源近似下，照度与距离平方成反比；实际LED阵列在近场更接近面光源，衰减比平方律平缓，但仍需在选定距离下实测中心与边缘照度差。经验做法：让光源到工件的距离大于光源自身尺寸的1.5～2倍，此时均匀性较好；若距离过近，中心过亮、边缘偏暗，图像出现明显渐晕。

均匀性用“边缘照度/中心照度”衡量，一般要求≥80%，高精度测量场景要求≥90%。提升均匀性的手段包括：增加漫射板、拉大工作距离、使用穹顶或积分球结构、多光源对称布置。均匀性不足会直接导致阈值分割不稳定，同一缺陷在视场中心能检出、在边缘漏检。

方向性决定缺陷的“对比度极性”。方向性强的条形光、激光，能让特定朝向的划痕产生高亮或阴影；方向性弱的穹顶光、背光，则给出均匀背景，适合轮廓和透射检测。选择方向性时，要问：缺陷的主要几何特征是什么方向？如果划痕方向与光线方向平行，暗场下散射弱，可能看不见；此时应旋转光源或改用环形/多向照明。

四、选型示例：金属划痕检测

假设检测对象为铝合金手机中框，缺陷为长度≥0.3mm、宽度约5～15μm的细微划痕，要求检出率≥95%。可参考以下配置思路（示例参数，需现场标定）：

五、常见误区与判断依据

第一个误区是“越亮越好”。过亮会导致相机饱和、缺陷与背景同时过曝，对比度反而下降。正确做法是固定曝光和增益，调节光源亮度或脉冲宽度，使背景灰度落在中段（如80～150/255），缺陷峰值不饱和。

第二个误区是“一种光源打天下”。同轴光适合镜面，暗场适合划痕，背光适合轮廓，穹顶适合曲面。选型时应先明确缺陷的物理本质：是反射率差异、几何形变、透射差异还是散射差异，再匹配照明几何。

第三个误区是忽略光源与镜头的相对位置。暗场照明中，镜头光轴与光源入射方向的关系决定了散射光能否进入镜头。通常镜头应垂直于工件表面，光源以高角度从侧方照射；若镜头也倾斜，需重新计算反射路径。

判断照明方案是否合格，最直接的依据是缺陷对比度：在稳定曝光下，缺陷区域与相邻正常区域的灰度差应大于30个灰度级（8bit），且重复采集10次的标准差小于5个灰度级。若达不到，优先调整入射角和工作距离，再考虑更换光源类型或增加漫射结构。