4. 照明方案与光源选型

在线扫视觉系统中，照明不是“把画面照亮”这么简单。线扫相机每次只采集一条极窄的线视场，若这条线上的照度不均、方向不对或光谱不匹配，缺陷对比度会直接丢失，后续算法再强也难以恢复。因此照明方案的核心目标是：让目标缺陷与背景之间产生稳定、可重复的灰度差或颜色差，同时保证线视场内照度均匀、频闪与运动同步。

一、线光源与条形光：线扫系统的主力

线光源是线扫系统最常用的照明形态，其发光面为一条细长亮线，经柱面透镜或漫射板整形后，在相机线视场上形成一条高均匀度亮带。典型参数包括：发光长度、线宽、工作距离、聚光角度、色温或波长、亮度调节方式。选型时先确定视场宽度，再让光源有效发光长度略大于视场宽度，通常留 10%～20% 余量，避免边缘暗角。

条形光可视为线光源的扩展形态，由多颗 LED 排成一条或多条直线，可加装透镜、漫射板或偏振片。条形光适合照射平面、卷材、圆柱面展开区域。若被测物表面有镜面反射，条形光的角度选择比亮度更重要：入射角越接近镜面反射角，相机越容易接收到强反射；偏离镜面角则进入暗场或漫反射区。

二、明场与暗场：按反射方向区分

明场照明指相机主要接收来自被测面的镜面反射或准镜面反射光，背景通常较亮，缺陷表现为暗点、暗线或暗区。它适合检测表面划痕、脏污、字符、印刷图案等对反射率有影响的缺陷。暗场照明则让相机避开镜面反射方向，只接收由缺陷边缘、颗粒、凹凸结构散射出来的光，背景暗、缺陷亮。暗场对微小凸起、毛刺、灰尘、边缘裂纹非常敏感，但要求光源角度和相机角度配合精确。

实际工程中，明场与暗场不是二选一，而是根据缺陷类型组合使用。例如检测金属卷材表面：明场可发现大面积污渍和色差，暗场可突出细小划痕和压印。若两种缺陷同时存在，可采用双工位照明，或使用可切换角度的环形/条形组合光源。

三、同轴光：镜面与高反表面的利器

同轴光通过半透半反镜将光源与相机光轴合并，使光线垂直入射到被测面，再垂直返回相机。它特别适合镜面、玻璃、晶圆、金属抛光面等强反表面。同轴光下，平整镜面区域呈现均匀亮场，而划痕、凹坑、异物会改变反射方向，形成暗缺陷。需要注意的是，同轴光对工作距离和半透半反镜质量敏感，且不适合粗糙漫反射表面，否则整体亮度不足。

四、频闪与常亮：同步与热稳定

线扫系统中，光源常与相机行频、编码器信号同步。频闪模式让光源在相机曝光窗口内瞬间点亮，其余时间关闭。其优点是：亮度可远高于常亮，减少运动模糊，降低发热，延长 LED 寿命。频闪频率必须与行频一致或成整数倍关系，否则会出现明暗条纹。常亮模式则适合低速、连续采集或需要稳定色温的场合，但亮度受限、发热明显，长时间运行可能引起波长漂移。

配置频闪时，需确认光源驱动器的触发延迟、最小脉宽和最大占空比。若行频为 10 kHz，曝光时间 30 μs，则频闪脉宽应略大于曝光时间，例如 35～40 μs，并留出驱动器响应余量。若脉宽不足，图像整体变暗；若脉宽过大，运动模糊和发热都会增加。

五、针对不同表面缺陷的照明设计方法

照明设计应从缺陷的物理特征出发，而不是从光源型号出发。可按以下思路推进：

• 划痕与裂纹：优先暗场，低角度入射，让边缘散射光进入相机；若划痕方向固定，光源方向应与划痕走向垂直或成较大夹角。
• 凹坑与压印：同轴光或明场低角度组合，利用反射方向变化形成暗区；同轴光对浅凹坑更敏感。
• 异物与灰尘：暗场高角度或环形光，突出颗粒散射；若异物透明，可加偏振片抑制背景反光。
• 色差与印刷缺陷：明场漫射光，保证颜色还原；必要时选用与缺陷吸收峰匹配的窄带波长，提高灰度差。
• 透明膜与玻璃：同轴光加偏振，或暗场加低角度，避免穿透光干扰。

一个可复用的选型流程是：先列出缺陷类型与最小尺寸，再确定需要明场还是暗场，然后选择光源形态（线光源、条形光、同轴光、环形光），最后确定频闪或常亮、波长、工作距离和亮度。每换一种方案，都应在线视场内取一段图像，计算缺陷区域与背景区域的灰度差，以对比度数值作为判断依据，而不是凭肉眼感觉。

照明方案最终要落到“可重复、可量化、可维护”三个要求上。可重复意味着同一批次、同一速度下图像灰度稳定；可量化意味着用对比度、均匀性、信噪比等指标验收；可维护意味着光源角度、距离、亮度参数有记录，更换后能快速复现。只有把照明当作系统参数来管理，线扫视觉的缺陷检出率才有稳定基础。