在機器視覺系統中，有一句名言：「Lighting is Everything（光源即一切）」。如果說相機是視覺系統的眼睛，那麼光源就是這雙眼睛所能看見世界的「光譜濾鏡」。優質的光源設計能大幅簡化後端的圖像處理演算法，並直接決定了檢測系統的穩定性與精度。
本篇文章將深入探討機器視覺光源的核心知識，從物理光學基礎到實務選型邏輯，協助技術人員建立完整的知識體系。
一、光學物理基礎：光的行為與交互
要設計完善的光源方案，首先必須理解光如何與物體相互作用。以下是機器視覺中最重要的五個光學特性：
1. 光的傳播（Propagation）
光在均勻介質中直線傳播。在視覺設計中，需注意平方反比定律：光照強度與距離的平方成反比。
E = I / r²
這意味著光源距離物體微小的變化，都可能導致影像亮度的劇烈改變。
2. 光的反射（Reflection）
反射是機器視覺成像的基礎，主要分為兩類：
- 鏡面反射（Specular Reflection）：
發生在平滑表面（如鏡子、拋光金屬），入射角等於反射角（θi = θr），處理不當會造成強烈的「耀斑（Hot Spots）」。 - 漫反射（Diffuse Reflection）：
發生在粗糙表面（如紙張、布料），光線向四面八方散開，在各角度看來亮度較為均勻。
3. 光的折射（Refraction）
當光從一種介質進入另一種介質（如空氣進入玻璃）時，傳播方向會發生改變，遵循斯涅爾定律（Snell’s Law）：
n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂
在檢測透明容器內的液位、透明薄膜缺陷或使用透鏡成像時，折射效應是關鍵考量因素。
4. 光的折射（Refraction）
當光波遇到障礙物或小孔時，會繞過邊緣繼續傳播。在高倍率的顯微檢測中，衍射會導致邊緣模糊，限制系統的極限解析度（Airy Disk）。
5. 偏振（Polarization）
光是一種橫波，偏振描述了電場振動的方向。
應用場景：
在相機鏡頭前與光源前分別加裝「偏振片」，且兩者方向互相垂直（90 度），可有效消除非金屬表面的強烈反光（如玻璃上的亮點或塑膠包裝的反光）。
二、照射光的種類（Illumination Types）
根據光束的性質與受控程度，照射光主要分為以下幾種：
- 定向照光（Directional Light）：
光束平行度高，能產生清晰的陰影，適用於強調物體表面的輪廓或凹凸特徵。 - 擴散光（Diffuse Light）：
光線經過半透明材料或多次反射，從多個角度均勻照射，能有效減少陰影並抑制鏡面反光。 - 明場照明（Bright Field）：
光源直接照射物體並反射進入鏡頭，背景通常是亮的，物體特徵可能呈暗色。 - 暗場照明（Dark Field）：
光源以極低角度照射，僅有被物體邊緣或缺陷散射的光線進入鏡頭，背景為黑色，僅特徵發光。
三、常見的光源幾何結構與應用
不同的幾何結構是上述物理特性的具體工程實現：
1. 環形光源（Ring Light）
- 原理： 光線以一定角度直接照射。
- 應用： 電路板零件檢測、通用標籤讀取，是最通用的選擇。
2. 背光源（Backlight）
- 原理： 位於待測物背面，產生高對比的剪影。
- 應用： 尺寸量測、邊緣特徵提取、液位檢測。
3. 同軸光源（Coaxial Light）
- 原理： 讓光軸與相機軸重合，適合平整鏡面。
- 應用： 金屬鏡面刮痕、晶圓（Wafer）缺陷檢測。
4. 低角度光源（Low Angle Light）
- 原理： 典型的暗場應用，光線幾乎與平面平行。
- 應用： 表面微小凸起、刻字或金屬上的細微傷痕。
5. 圓頂光源（Dome Light）
- 原理： 半球體多角度漫反射照明，俗稱「無影燈」。
- 應用： 處理曲面或高度反光、表面極度不平整的物體。
四、光譜選擇：色彩的魔法
光源的波長直接決定了對比度的品質：
- 補色原理： 要讓特徵顯得「黑」，用補色光；要讓特徵顯得「白」，用同色光。
- 紅光（Red）： 穿透力佳，成本效益高。
- 藍光（Blue）： 波長短，適合細微紋理檢測。
- 紅外／紫外（IR/UV）： 用於特殊材質穿透或激發螢光反應。
五、機器視覺光源選型實戰：四步法與小技巧
在進入實驗室前，請先檢視以下關鍵：
1. 選擇合適光源考量項目
- 視野（FOV）與安裝空間： 光源尺寸需完全覆蓋 FOV，且不可干擾機構運動。
- 工作距離（WD）： 距離越遠，光線擴散越嚴重，需更高亮度。
- 物體運動速度： 高速物體需短曝光，通常需高亮度閃頻（Strobe）光源。
- 環境光干擾： 強環境光下需高亮度或加裝濾光片（Bandpass Filter）。
2. 確定檢測特徵
- 量尺寸／找間隙： 優先考慮背光源。
- 讀取平面文字： 優先考慮環形光源。
- 找表面細微瑕疵： 優先考慮低角度光源（暗場）。
3. 打光小技巧（Lighting Tips）
- 善用「陰影」： 針對透明或同色物體，利用斜向照射產生陰影來勾勒邊緣。
- 「減法」原則： 畫面太亮時，加裝偏振片以濾除不必要的鏡面反光。
- 漫反射是萬靈丹： 不規則反光難處理時，嘗試擴散板或圓頂燈，通常可解決 80% 問題。
- 互補色應用： 檢測紅色文字時，改用綠光，文字會變成深黑色，對比度瞬間拉高。
4. 環境與結構約束
最終方案需考量長期運行穩定性，包括散熱、防塵安裝與光源結構的耐折舊程度。
六、總結
光源是機器視覺系統中「物理層面」的演算法。理解光的傳播、反射與偏振，能讓工程師在面對困難的檢測任務時，不再只是盲目嘗試，而是有理有據地進行實驗與設計。
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