4. 光源与照明设计
在机器视觉测量系统中，照明往往比相机和镜头更容易决定最终精度上限。同一套光学系统，换一种照明方式，边缘对比度可能从 20% 提升到 70%，信噪比可能相差数倍，测量重复性也会随之改变。照明设计的核心目标不是“把物体照亮”，而是让被测特征与背景之间产生尽可能大的灰度差异，同时抑制无关结构、反光和阴影的干扰。本节围绕明场、暗场、同轴、背光和结构光五类典型照明，分析它们对边缘对比度、信噪比与测量重复性的作用机理，并给出可操作的选型与参数配置思路。
一、照明如何影响测量：三个关键指标
在讨论具体照明方式之前，需要先明确三个指标的定义与相互关系。
- 边缘对比度：边缘两侧灰度差与灰度和的比值，常用 Michelson 对比度
C = (I_max − I_min) / (I_max + I_min)表示。对比度越高，亚像素边缘定位算法的梯度响应越尖锐，定位不确定度越小。 - 信噪比（SNR）：目标特征信号与背景噪声（含散斑、杂散光、传感器暗噪声）的比值。SNR 不足时，边缘位置会随噪声随机抖动，直接恶化重复性。
- 测量重复性：同一工件多次测量同一特征的标准差，通常用
σ或6σ表示。它是对比度与 SNR 共同作用的结果，也是照明方案优劣的最终判据。
三者的关系可以概括为：照明方式决定光与工件相互作用的几何与偏振状态，进而决定对比度和 SNR，最终体现为重复性。因此，照明选型必须从“被测特征是什么”出发，而不是从“手头有什么光源”出发。
二、明场照明：通用但需控制反光
明场照明是最常见的照明形式，光源与相机位于工件同侧，以环形、条形或穹顶形式照射工件，相机接收工件表面的反射光。其特点是表面纹理、字符、颜色差异能被清晰呈现，因此广泛用于平面字符识别、颜色检测和一般外观检查。
明场照明的核心问题是镜面反光。当工件表面存在抛光、拉丝或油膜时，反射光会局部饱和，导致边缘对比度骤降。解决思路有三条：一是采用穹顶光，用半球漫射罩把点光源转化为大面积均匀光，消除方向性高光；二是采用低角度环形光，让反射光偏离相机光轴；三是加入偏振片，在光源前加起偏器、镜头前加检偏器，抑制镜面反射分量，保留漫反射分量。
以一个金属手机中框字符检测为例：使用白色环形光垂直照射时，中框倒角处出现亮带，字符边缘对比度约 25%，重复性 σ ≈ 8 μm；改用蓝色低角度环形光（入射角约 15°）后，倒角反光移出视场，字符边缘对比度提升至约 55%，重复性改善到 σ ≈ 3 μm。这说明明场照明的角度选择比亮度更重要。
三、暗场照明：让缺陷“发光”
暗场照明把光源置于低角度甚至与工件表面近乎平行的位置，相机只接收散射光。平整表面几乎不反射光进入相机，视场呈暗背景；而划痕、颗粒、毛刺、边缘等微观起伏会把光散射进相机，形成亮特征。这种“暗背景 + 亮缺陷”的模式使缺陷对比度极高，背景噪声极低，SNR 通常优于明场数倍。
暗场照明的关键参数是入射角与工作距离。入射角越小（越接近掠射），对微小起伏越敏感，但照明均匀性越难保证。工程上常用 10°～30° 的低角度环形光或条形光。对于圆柱面、螺纹等回转体，可采用同轴暗场或多角度暗场组合，避免单一方向造成缺陷漏检。
需要注意的是，暗场照明对工件姿态敏感。工件倾斜 1°～2° 就可能让局部区域进入镜面反射状态，产生伪亮斑。因此暗场方案必须配合稳定的工件定位，或在算法上做背景建模与动态阈值分割。
四、同轴照明：镜面与高反光表面的首选
同轴照明通过分光镜把光源光轴与相机光轴重合，光线垂直入射工件表面。对于镜面、晶圆、玻璃、金属抛光面等高反光平面，垂直入射光沿原路返回相机，表面缺陷（如凹坑、异物、镀层不均）会改变局部反射方向，形成暗缺陷或亮缺陷，从而获得高对比度图像。
同轴照明的优势在于抑制斜向杂散光，背景均匀性极好，因此测量重复性通常很高。其局限是只适用于近似平面的工件；对于曲面或粗糙表面，垂直入射光被散射到各个方向，返回相机的光很弱，图像偏暗。此时需要提高光源亮度或改用明场/暗场组合。
在晶圆表面颗粒检测中，同轴照明配合暗场环形光是一种经典组合：同轴光负责呈现表面膜层均匀性和图形结构，暗场光负责捕捉颗粒散射信号，两路图像融合后，颗粒对比度可提升 3～5 倍，重复性达到亚微米级。
五、背光照明：轮廓测量的黄金标准
背光照明把光源置于工件后方，相机接收透射光。工件遮挡部分形成暗区，未遮挡部分形成亮区，边缘由亮到暗的过渡非常陡峭，边缘对比度接近理论极限。对于尺寸测量、孔径、轮廓、间隙、透明件缺陷等任务，背光几乎是首选方案。
背光照明的核心指标是边缘锐度和均匀性。平行背光（远心背光）能提供近似平行光，减少边缘衍射和半影，使边缘过渡宽度接近一个像素，亚像素定位重复性可达 σ ≈ 0.1～0.3 μm（配合远心镜头）。漫射背光则适合透明件内部缺陷检测，但边缘锐度略低。
实际配置时需注意：背光亮度要足够高，使相机工作在满阱的 60%～80%，避免欠曝导致 SNR 下降；同时要避免光源发热引起工件热变形，必要时采用频闪同步或脉冲光源。
六、结构光照明：从二维对比度到三维形貌
结构光照明投射已知图案（条纹、格雷码、相移条纹）到工件表面，通过解调相位获得三维形貌。它不依赖表面灰度对比度，而是利用相位变化对高度敏感的特性，实现亚微米级高度测量。对于平面度、台阶高度、焊点体积、曲面轮廓等任务，结构光具有独特优势。
结构光的关键参数包括条纹周期、相移步数、投影角度和标定精度。以四步相移为例，条纹周期 P = 8 pixel，相移步长 π/2，通过 φ = arctan[(I₄−I₂)/(I₁−I₃)] 解出相位，再经相位展开和高度标定得到三维坐标。条纹周期越小，高度分辨率越高，但相位展开难度越大，需在量程与精度之间折中。
结构光对高反光表面同样敏感，常需配合偏振、多曝光融合或喷涂显影剂。其测量重复性在良好标定条件下可达 σ ≈ 0.5～2 μm，但受环境振动和温度漂移影响较大，需在恒温、隔振平台上使用。
七、选型与参数配置的实用建议
综合以上分析，照明选型可遵循以下判断顺序：
- 先看被测特征：是轮廓尺寸、表面缺陷、字符纹理，还是三维形貌？
- 再看表面光学特性：镜面、漫反射、透明、高反光？
- 确定照明方式：轮廓→背光；缺陷→暗场；镜面平面→同轴；纹理字符→明场；三维→结构光。
- 调节关键参数：亮度使灰度落在 60%～80% 满阱；角度避开镜面反射；波长匹配表面吸收特性；偏振抑制高光；频闪同步消除运动模糊。
- 验证指标：用同一工件重复测量 30 次，计算
σ；对比不同照明下的边缘对比度和 SNR，选择重复性最优方案。
总结来看，照明设计是视觉测量系统中“以光代算”的关键环节。明场提供通用性，暗场放大缺陷，同轴征服镜面，背光锁定轮廓，结构光拓展到三维。理解每种方式对边缘对比度、信噪比和测量重复性的作用机理，才能在具体项目中快速锁定最优方案，并用参数调节把重复性推到系统极限。