1. 基本原則
光照的目的，是提高對比度，突出目標對象，以便提取出其輪廓等物理特征。
當選擇照明時需要考慮以下五個方面：
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表面是光滑，還是粗糙？
當物體表面十分光滑，像鏡子一樣會反射光時，拍攝時就會形成亮點，這樣的圖像均勻性差，不利於檢測。
這時就不能選擇直接照明的方式進行打光了，而要選擇散射光源。
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目標對象周邊的環境，是光滑還是粗糙？
有些時候我們可能會面臨這樣的問題，我們需要檢測的地方與不需要檢測的地方並不是同樣的表面，有的地方漫反射，有的地方鏡面反射。這時候就要引入明場照明和暗場照明的概念了。
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對象是否透明？
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查找目標的顏色是怎樣的？
物體的顏色是由其反射光的波段決定的，因為其余波段都被吸收掉了，所以能夠被相機捕捉到的波段才是其反射的波段，因此對於黑白相機來講，光的波長能使得跟彩色一樣的特征變亮或變暗。
如上圖，在紅、藍字都有的表面，當使用紅光照明時，藍色字吸收掉所有的紅光而呈現黑色，紅字反射了所有的紅光而呈現白色，由此得到了一張對比度強烈的優質圖像。這樣我們就可以通過不同波段的光源，來檢測復雜顏色的表面。
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對象是平面，還是個弧面？
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檢測環境是否有雜光？是否有光源倒影？
在實際檢測過程中，可能會由於現場雜光、表面反射等各種原因，造成表面有各種光暈、眩光。這時候我們就需要考慮偏振照明了，偏振方式在檢測具有很好鏡面反射特性的物體時能消除光源的影子。
1.1. 明場照明和暗場照明
明場照明就是用光源直接照射被測物來觀測，暗場照明則是通過其他被測物反射或者衍射的光線來觀測，形成了兩種截然不同的打光方式。
在直接照明中，很多由於被測物材料的不同，導致表面特征信息的丟失。而背光源就可以讓透光和不透光的地方區別開來，透光的地方呈白色，不透光的地方呈黑色，這樣就可以得到一個黑白對比強烈的圖片。背光源在使用的時候要盡可能的保證射出的光是平行光，以保證不同強度的光照不會引起被測物輪廓的變化，從而提高整體檢測的精度。
示例：如上圖，直接照明方式中，無法獲取不同材料、不同顏色的橡膠尖牙特征，而使用背光源照明，就可以非常容易的看到這樣的特征點。
當我們需要檢測強烈反光表面的刻畫、凹陷或者壓印特征的時候，比如玻璃件探傷，就需要使用同軸光照明了。同軸光射出的光都是豎直向下的平行光，經過物體反射后，只有豎直向上的反射光才能被相機接收到，其他方向的光都散射到別的地方去了，並沒有被相機接收到。由此我們就可以得到一張對比度強烈的優質圖像。
應用舉例：
1.2. 全明場照明（漫射照明）技術
全明場有較大立體角，光源從多個方向照射到物體表面，會產生無方向、柔和的反射光。如下圖所示，當采用直射光照明時，由於光線存在方向性，金屬和屏幕上的划痕等有很強的反光成像效果。
當采用漫射照明時，物體表面被相對均勻照射，雖然金屬表面的划痕仍能看到，但屏幕上的小划痕已經看不清楚了。漫射照明適合於高反光平整材質物體，可以消除小的變形、褶皺影響，只對邊緣和比較大的曲面有對比度差異成像效果。
產生漫射光的光源有同軸漫射光源和圓頂光源等。
在工作距離大的環境中成像大型、光亮物體的最佳選擇。
- 優點: 減少眩光並提供均勻的照明。
- 缺點: 巨大且難以在有限空間內安裝。
2. 特定光源
2.1. 環形光源
環形光源可是個大家庭，根據不同照射角度、不同顏色組合，衍生出了一般角度環形光、低角度環形光、垂直照射環形光、無影環形光等各種光源。
適用於無光澤物體的各種檢查和測量系統。
- 優點: 直接在透鏡上安裝和減少陰影。在正確距離內使用時可提供均勻照明。
- 缺點: 來自反射性表面的圓形眩光圖案。僅可在相當短的工作距離內使用。
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環形光最大的能力是能夠避免對角照射產生的陰影問題，從而更加突出物體的三維信息。
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低角度照射環形光源照射角度很低，照射面積相對較小，屬於暗場照明的一種方式。它能突出原本難以看清邊緣輪廓，更適合表現表面凸凹。
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無影環形光源通過漫反射板形成二次光源，適用於曲面、表面凹凸，弧形表面，鏡面反射體傷痕檢測。
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平面照射環形光照明面積較大，光照均勻，更適合檢測表面凹凸、大面積字符檢測
2.2. 條形光源
條形光源由 LED 成直線或其組合排列，照明效果符合直線性規律，用於照度高，指向性強的反射照明檢測、線掃描相機缺陷檢測，如印刷品檢測、玻璃、布匹檢測、LCD 面板檢測、AOI 檢測等。
2.3. 同軸光源
同軸光源由類平行光，光源前面帶漫反射板，可消除采集圖像的重像，均勻性好，對於光潔表面的異常特征成像突出，對於局部凹陷或刮痕有非常好的表現力。廣泛用於半導體、PCB 板以及金屬零件的表面成像檢測。
- 優點: 非常均勻和擴散、大量減少陰影、非常少的眩光。
- 缺點: 巨大且難以安裝、有限的工作距離、低通量（從而導致可能需要多個光纖光源來提供足夠的照明）。
將同軸照明與亮場照明進行比較，也會產生截然不同的結果。如下圖，使用亮場照明和同軸照明的鍍鉻玻璃USAF 1951的分辨率目標。
這兩種照明最直接的差別在於兩張圖像的對比度完全相反。此外，目標中的缺陷在亮場圖像中更加明顯，這可能會產生有利或不利的影響，具體取決於應用。有趣的是，目標的高反射性質使同軸照明圖像產生比亮場照明圖像高出約10%的對比度。
2.3.1. 何時不使用同軸照明
由於同軸照明具備諸多優勢，因此通常被認為始終是空間有限的系統的最佳選擇。遺憾的是，對於具有光學漫射性或需要大視場的物體來說，它並不是最佳解決方案。在與漫射物體配合使用時，同軸照明會在圖像上產生熱點，該熱點是由物體的朗伯（Lambertian，一個幾乎不變的雙向反射分布函數）趨勢造成的，它對任何檢測系統都是有害的。圖5顯示了使用（右圖）和不使用（左圖）同軸照明時木制材料漫射物體的圖像。
當朗伯型物體采用同軸照明時，圖像在視場中心具有定義明確的熱點。此熱點可有效沖刷出所需的對比度，為亮場圖像產生約70%的對比度，為同軸照明圖像產生約8%的對比度，這兩個對比度值均取自圖像中心。
當然，在一些其他情況下，同軸照明並非理想之選。需要大視場時，照明系統的光學擴展量會成為問題，因為在大視場內展開光通量本身會導致密度低得多的光子束，因此會對整個系統的光通量產生負面影響。不完美的光源還會對具有大視場的同軸照明系統的性能產生顯著的負面影響，因為經過物體平面的大投射，小瑕疵會被放大。
下圖為：使用亮場照明（左）和同軸照明（右）的木制物體的比較。
2.4. 背光源
背光源發光部分為一個漫射面，均勻性好，可用於鏡面反射材料，也可用於獲取物體邊緣特征信息，如晶片或玻璃基底上的傷痕檢測、LCD 檢測、微小電子元件尺寸形狀、靶標測試等。
2.5. 遠心照明
遠心照明 有利於高速成像、工廠自動化、顯示輪廓以及缺陷和邊緣檢測等機器視覺應用。與標准背光源不同的是，采用遠心照明可以產生清晰的輪廓，特別適合檢測邊緣和缺陷。遠心照明的這種優點對需要高對比度無模糊邊緣圖像的應用和高速自動化應用來說至關重要。
替換為遠心照明器之后, 邊緣就清晰起來，而且易於確定是否通過檢測（圖 4a – 4b）。此外，使用標准背光源時幾乎看不到螺紋一側的毛邊，而遠心照明器就可以輕松檢測和測量這種毛邊。
2.6. 點光源
可組合使用作為重點照明或者補光照明，也可用作准平行光學系統的光源，配合專用鏡頭可形成明亮均勻的同軸光照明效果。非常適合用於檢測目標比較小的物體，比如半導體芯片的bonding定位。
缺點：陰影和眩光。
2.7. 穹頂光源
穹頂光源擁有一個半球形內壁，可以均勻的反射從底部360°發射出的光線，使得整個圖像照度十分均勻。也稱為為無影燈（shadow-free light）。非常適用於曲面、表面凹凸、弧形表面檢測或者金屬、玻璃便面反光較強的物體表面檢測。
圓頂漫射非常適合於表面不平整的光滑表面物體的高質量成像。一個應用例子為印刷質量檢測，包裝表面有褶皺和凸起不平整，圓頂漫射照明可以抑制表面不平整等外觀結構干擾特征，只留下清晰的印刷字體信息，使得表面成像效果一致。
此種照明技術應用限制為工作距離，為了確保均勻照明，工作距離必須盡可能地近些，工作距離越長，光束的方向性越強，漫射均勻性降低。如下圖所示，當光源工作距離為5mm時，邊緣弧面區域近乎均勻照亮，當工作距離逐漸增加時，越來越多的邊緣區域沒有被照亮，邊緣區域照明均勻一致性消失。
2.8. 線光源
線掃描光源可以達到非常長的長度以及超高亮度，從而配合線掃描相機視場進行使用。非常適合各種流水線連續檢測場合使用。
2.9. 紅外光源
紅外光相比於可見光，有更高的穿透能力，散亂率低。紅外光可以透過一部分印染材料，而不反射表面的印刷圖案，原始材料的散亂光反射進入鏡頭成像。利用其透過率高的特性能更好地進行不透明物體內部特征檢測，包裝表面印字檢測等。
如上圖，可見光光源無法穿透半導體材料，無法區分圖案后面的字符，也無法穿透不透明塑料瓶。紅外光源獨特的光譜特性，使其更能勝任這些檢測。
2.10. 紫外光源
紫外光波長短，由於其散亂率較高，散亂在物體表面，能有效觀察物體表面，對於非常小且不明顯的物體特征，有較好的表現力。
紫外線因其波長更短，因而折射率不同，即使是非常淺的傷痕也能夠清晰看到。
2.11. 結構線激光光源
結構光是指從一個已知的角度將光線圖案（平面、網格或更為復雜的形狀）投射到物品上。在提供不受對比度影響的表面檢測、采集尺寸信息以及計算體積時，這種照明技術非常有用。
結構化激光線照明的工作原理是將激光線投射到三維物體上，從而生成一個圖像，該圖像提供有關物體高度的信息。根據相機和激光線發射器的安裝角度，當您改變設備的角度時，產生的激光線偏移將增大或減小。當沒有物體時，激光線將變平。
結構化照明利用指定的光源圖案來確定物體的幾何圖形和深度。通過網格、圓點或線條等不同的圖案來照明物體即可構成有效的 3D 系統，同時能夠最大程度地降低成本、減少組件和復雜性。
使用一個精確校准的系統即可增加測量的准確度，但結構化照明並不是通用的，而是在獲取某個測量方面應該使用某個指定的結構，針對這方面的了解對我們至關重要。例如，一個點狀網格圖案便足以用於檢查某個物體的數個點，但若要測量某個物體的三維輪廓，則需要一條線或多條線的圖案。
下表展示了常用的結構化照明模式及其理想的應用。
2.12. 輔助光學配件
2.12.1. 偏光鏡: 消除眩光
將偏光鏡放在鏡片上，可以消除高反射表面或光學窗口上的眩光。由於光的部分偏振，在這種情況下，光源可能需要偏振濾光器，也可能不需要偏振濾光器。
2.12.2. 偏振片
偏振片的作用是限制特定的光波通過，使用偏振片可以消除光反射產生的影響從而突出表面的細節，偏振片一般安裝在鏡頭上或者光源的一側。
2.12.3. 防外亂光濾鏡
防外亂光濾鏡的作用是消減外界環境光對系統光源的影響，使用光濾鏡能夠將系統外部的漫射光過濾掉。
例如，環形光導因其均勻，漫反射的照明而廣受歡迎。但是，環本身可能會產生眩光或反射。分別對環形輸出和鏡頭進行偏振處理可以減少這些影響，並帶出表面細節。
2.12.4. 漫射板
漫射板的作用是使光變的均勻。漫射板是玻璃的一個表面通過金剛砂打磨成凹凸不平后制作出的一種玻璃，光線通過漫射板折射后向四面八方射出去，這樣光線就變的均勻了。左圖為無漫射板，右圖為有漫射板。
3. 選擇光源的過程
選擇機器視覺光源時應該考慮的主要特征：
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亮度：盡可能選亮的，當光源不夠亮時，可能出現三種不好的情況：
- 相機的信噪比不夠，對比度下降，噪聲增大；
- 亮度不夠，必須加大光圈，從而減小了景深；
- 自然光等隨機光對系統的影響會加大。
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光源均勻性：不均勻的光會造成不均勻的反射，關系到下面三個方面：
- 視野范圍部分應該是均勻的，圖像中暗的區域就是缺少反射光，亮點即反射太強；
- 不均勻的光會使視野范圍內部分區域的光比其他區域多，造成物體表面反射不均勻；
- 均勻的光源會補償物體表面的角度變化，及時物體表面的幾何形狀不同，光源在各部分的反射也是均勻的。
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光譜特性：當分析多顏色特征的時候，色溫是選擇光源的一個重要參數。
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對比度：機器視覺應用的照明的最重要的任務就是使需要被觀察的特征與需要被忽略的圖像特征之間產生最大的對比度。
3.1. 選擇流程
接下來就可以進行光源種類及照明方式的選擇。根據目標及背景特性的區別，一般選擇光源的種類及照明方式按照如下幾個步驟進行：
3.1.1. 確定照明的類型: 直射、漫射、透射光
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確定要檢測目標的內容(缺陷、外觀檢查、尺寸測定、有無、OCR、定位)
- 通過表面的反射檢測微小物體表面的形狀，可以使用暗場照明；
- 檢查透明物體的透過率和不透明物體的輪廓，可以使用背光照明；
- 檢測平坦的、光滑的表面較深的特征，消除陰影，可以使用同軸照明。
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檢查表面狀態（鏡面、糙面、曲面、平面、立體）：
- 曲面，考慮用散射圓頂光；
- 平面，但粗糙的表面，嘗試用同軸散射光。
3.1.2. 確定照明光源的外形及尺寸: 環形光源、低角度、同軸光源、穹頂光源
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檢查目標的尺寸(照明的大小、照明下端到被測物表面的距離)：
- 條形光源可靈活安裝，照明面積較大，適合較大目標的拍攝；
- 一般環形光源照射面積較大，可安裝位置較高；
- 低角度環形光源照射面積較小、安裝位置距離目標很近；
- 同軸光源照明面積有限；
- 穹頂光源安裝位置距離目標較近，適合拍攝較小的目標；
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安裝環境(溫度、外亂光等)：
如果有環境光影響造成暈光現象，嘗試用單色光源，配一個濾鏡。
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視場范圍、動態還是靜態(相機快門速度)：
- 當單個光源不能有效解決問題時可考慮使用組合光源
- 對於有頻閃的光源，其曝光的頻率和相機的采集頻率需要匹配，頻閃光源能產生比常亮照明強20倍的光
3.1.3. 確定照明光源的顏色
觀察目標及背景的顏色和材料特性：
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為了加大前景與背景的對比度，可以考慮用黑白相機與彩色光源相結合：
使用與物體顏色相同的光源照射，使其在相機中成白色區域；用與物體顏色補色的光源，使其在相機中呈黑色；
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若待檢測物體表面比較均勻，且缺陷非常小，可使用波長較短的光源，必要時可以考慮使用紫外光源；
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對於需要通過透過率的差別來進行檢測，可以使用紅外光源，通常在印染包裝表其材質或印字檢測、可見光波段透過性不好的薄壁體內物件檢測等。
4. 場景舉例
4.1. 檢測金屬面的划傷
利用明場照明，區分出不同的表面紋理。光線遇到平坦反光的表面將光線反射回到相機，創立一個亮區域。粗糙紋理或表面缺損會將光線散射而遠離相機，創立了暗區域。
4.2. 區分不同的材質
比如檢測倒裝芯片（Flipped Chips），在PCB裝配中驗證合適的零件方向是常見的機器視覺應用。
使用同軸光（藍光波長）照射芯片。藍色波長（460納米）能很好地區分銀質和銅質表面：銅吸收藍光呈現出暗場，銀反射藍光呈現亮場。同軸照明消除錯誤反射：不想要的耀眼點、反射和暗點。
4.3. 檢測玻璃容器上的裂痕
在一個暗場區域中光線直接通過透明的玻璃容器。大多數穿透透明對象的光線不會被相機檢測到。如果材料不規則，比如有裂紋，一些光線就會凸顯出這個不規則。特別是划痕創立了一個內部空缺，這里光線折射和反射，以許多角度散射包括返回給相機。
4.4. 用漫射光檢測透明包裝
連續的漫射照明技術不強調表面紋理和升高中的變化。它提供了非常大的固定照明角度，從多角度讓光線找到對象上，因此消除了反射和典型的非方向性或單個光源產生的陰影。
4.5. 使用顏色創造對比度
在機器視覺應用中創造一個高對比度圖像的一個有用的方法是用特殊波長（彩色）的光照明物體。對於黑白相機來講，光的波長能使得跟彩色一樣的特征變亮或變暗。使用彩色輪子作為參考，選擇一個相反顏色的光來使得特征變暗；或選相同顏色的光使得特征變亮。例如：
- 如果你想變暗的特征是紅色，則使用綠光；
- 使用綠光能使得綠色特征呈現更亮；
- 記住鋁上刻印在紅光和藍光下的區別。
4.6. 針對快速移動的物體使用頻閃光
當物體快速移動成像是模糊時，就需要使用頻閃光。
計算公式: 頻閃寬度 = (視場 ÷ 像素) / 移動速度
在該公式中，視場寬度和像素都指的是被照物運動方向軸上的量。例如，當視場寬度為1 inch, 圖像像素為640 pixel，被測物移動速度為500 inch/s, 則頻閃光照明時間應為3.1µs。
4.7. 消除反射使用紅外光
機器視覺系統依靠數字圖像中的灰度級轉化。在許多視覺應用當中，環境光帶來了不想要的亮反射，這樣使得檢測感興趣特征變得困難或不可能。紅外光就能解決這個問題。
4.8. 使用紅外光消除顏色差異
紅外光能用於在彩色對象之間消除灰度差別。暗對象吸收紅外波長，創造出一致性，而其它則呈現陰影。這個照明方案有利於檢測顏色或陰影變化的非一致性。
5. 其他
5.1. 光強
5.1.1. 光通量
光源每秒鍾發出的光的總量。用符號 Φ 表示，單位：流明 lumen，lm 。
光通量表示的是光源發光的能力，類似於抽水機的流量，抽水機的流量越大，表示抽水機的抽水能力越強。同樣，光通量越大，表示光源發光能力越強。
5.1.2. 發光光強
光源在某一特定方向上單位立體角內輻射的光通量，稱為光源在該方向上的發光強度，簡稱光強。用符號 I 表示，單位坎德拉，cd。
光強表示的是光源（點光源）有多亮，是光源本身的特征，與觀察者離光源的距離無關
。同一燈具，在不同方向的光強是不同的。
計算公式為： I = Φ/W
5.1.3. 光效, 光源的發光效能
某一光源發出的光通量與其消耗功率的比值。單位：流明/瓦，lm/w。
光效表明光源發光的效率，也就是說，每提供1瓦電功率，能產生多少流明的光。這是一個與節能有關的指標，光效越高的光源越節能。
5.1.4. 亮度
發光體在給定方向單位投影面積上的發光強度稱為亮度，用L表示，單位cd/m2
亮度是對於面光源的一個特征指標，這個面光源通常是一個反光面，也可以是發光面（如熒光燈的表面，或燈箱的表面）。它表示這個發光表面有多亮。與光強一樣，也是與觀察者離光源的距離無關。
顯然，發光面的面積越大亮度越大，為了准確表示發光面的特征，所以用單位面積的光強來表示發光面有多亮。
5.1.5. 色彩與波長
LED光源主要有紅色、藍色、白色和綠色等，每種類型的LED等都有其特別的光譜，CCD攝像機的靈敏度受光譜的影響。
顏色通過色相（Hue）、飽和度（Saturation）和明亮度（Value）來表示，即我們常說的HSV。在有彩色中，紅、藍、黃等顏色的種類即稱為“色相（Hue）”，飽和度（Saturation）是指顏色的鮮艷度，表示色相的強弱，明亮度（Value）表示顏色的明暗程度。HSV的關系用一張圖來表示如下。
5.2. 燈光種類
光源的種類包括：LED、螢光燈、鹵素燈（光纖光源）、特殊光源等。
- LED具有壽命長、可以有各種顏色、便於做成各種復雜形狀、發光均勻穩定以及可以閃光等特點；
- 螢光燈具有光場均勻、價格便宜特點，且其亮度較LED高；
- 鹵素燈亮度特別高，鹵素燈通過光纖傳輸后可做成光纖光源，可以達到超長距離信息傳遞功能。
