4. 光学照明与成像方案设计

在工业缺陷检测系统中，相机与镜头决定了“能看多清”，而照明决定了“能不能看见缺陷”。同一套相机镜头，换一种光源或打光角度，缺陷对比度可能从几乎不可见跃升到清晰可判。因此照明方案设计不是选配件，而是成像链路的第一道工序。本节围绕光源类型、打光角度、滤光片选择以及反光与阴影抑制四条主线展开，并给出可落地的选型与验证方法。

一、光源类型：先看缺陷与背景的差异来源

工业检测常用光源包括环形光源、条形光源、同轴光源、背光源、穹顶光源（圆顶光）、点光源与线光源。选择依据不是“哪种更亮”，而是缺陷与背景在反射率、颜色、高度、透光性上的差异属于哪一类。

• 环形光源：安装方便，适合平面字符、划痕、脏污检测，但高反光金属表面易产生环状亮斑。
• 条形光源：可自由布置角度，适合边缘、裂纹、凹凸缺陷，常成对使用形成对称或交叉照明。
• 同轴光源：光线经半透半反镜垂直入射，适合镜面、抛光、玻璃等强反光表面的平整度与划痕检测。
• 背光源：从工件背面照射，形成轮廓剪影，适合尺寸测量、孔位、缺口、透明件内部杂质检测。
• 穹顶光源：内壁漫反射形成均匀无方向光，适合曲面、球面、高反光工件的均匀照明。
• 线光源：配合线阵相机使用，要求光照沿扫描方向高度均匀。

以金属冲压件表面划痕检测为例：若用环形光源垂直照射，划痕与基体反射率接近，对比度低；改用低角度条形光后，划痕边缘产生明暗过渡，缺陷信噪比明显提升。这说明光源类型必须与缺陷的物理成因匹配。

二、打光角度：决定缺陷对比度的关键变量

打光角度通常以光源光轴与工件表面法线的夹角来定义，本文统一采用该约定。角度选择遵循以下经验规律：

• 高角度（约60°~90°，接近垂直）：适合漫反射表面上的颜色、字符、印刷缺陷，光照均匀但凹凸缺陷对比弱。
• 中角度（约30°~60°）：兼顾均匀性与一定方向性，适合一般表面脏污、浅划痕。
• 低角度（约5°~30°，接近掠射）：光线几乎平行于表面，微小凸起、划痕、压印、异物会产生明显阴影或亮线，是表面缺陷检测的常用手段。
• 背光（180°）：用于轮廓与透射检测。

实际布光时，常采用对称双条形光消除单侧阴影，或采用暗场照明（低角度）让缺陷发亮、背景变暗。判断角度是否合适，不看肉眼观感，而看图像中缺陷区域与背景区域的灰度差：一般要求缺陷对比度（缺陷灰度与背景灰度之差除以背景灰度）不低于10%，理想情况大于20%。

三、滤光片选择：用光谱手段提升信噪比

滤光片的作用是让目标波段通过、抑制干扰波段。常见类型有带通滤光片、长波通滤光片、短波通滤光片和偏振片。选择原则是让光源波长与滤光片通带匹配，同时避开环境光干扰。

例如使用红色LED光源时，镜头前加装中心波长约630nm、带宽±20nm的带通滤光片，可有效滤除车间白光中的蓝绿成分，显著提高缺陷与背景的对比度。对于高反光金属表面，可在光源和镜头前同时加装偏振片并调整偏振方向正交，抑制镜面反射光，保留漫反射信息。滤光片选型时需注意：通带越窄，抗干扰越强，但透光量越低，需相应提高光源亮度或曝光时间。

四、反光与阴影抑制方法

反光与阴影是工业现场最常见的两类成像干扰。反光来自镜面反射，阴影来自遮挡或方向性过强。抑制手段包括：

• 偏振消反光：光源加偏振片，镜头加正交偏振片，可消除大部分镜面反射。
• 漫射板/穹顶光：将点光或方向光转化为大面积漫射光，降低高光强度。
• 多角度对称布光：用两到四组条形光从不同方向照射，使阴影相互抵消。
• 同轴照明：对镜面工件，同轴光可让反射光沿原路返回，避免斜向高光。
• 背景与遮光：使用黑色哑光背景、遮光罩隔离环境光，减少杂散反射。

五、方案验证与参数记录

照明方案设计完成后，必须通过实际采集图像验证。建议固定相机、镜头、曝光和增益，仅改变光源类型、角度、亮度或滤光片，逐项对比缺陷对比度与均匀性。以下为一份可直接使用的照明方案验证记录表示例：

记录时建议同时保存原始图像与参数，便于后续复现和产线复制。若缺陷对比度不足，优先调整打光角度和光源类型，其次考虑滤光片和偏振，最后才调整相机曝光与增益，因为后者会同时放大噪声。

综上，照明与成像方案设计的核心逻辑是：先分析缺陷与背景的物理差异，再选择能放大该差异的光源类型与打光角度，用滤光片和偏振手段压制干扰，最后通过图像对比度与均匀性指标验证方案是否达标。只有把照明、镜头、相机作为一个整体来设计，才能稳定获得可判读的缺陷图像。