相机在线，新图也收到了。工件轮廓很清楚，那条划痕却还是看不清？  

设想面前有一块带反光的工件，上面有一条细划痕。把灯调亮，整块表面更亮了，可划痕所在的位置和周围依然差不多。

这时，你可能会想到换相机、换算法，也可能开始找光源。打开产品目录，却又遇到一串名字：明场、暗场、背光、同轴、环形、点光、线光、面光，还有红光、蓝光、紫外光。

它们各自解决什么问题？同一条划痕，是该让它变亮，还是让它变暗？再往前一步，如果想知道划痕有多深，换一盏灯够不够？

上一篇追到了“电脑收到完整的新图”。这一篇继续走向“看得清”：先分清照法、形态和光色，再检查安装、曝光与控制器，最后用五步对照判断方案是否稳定。读完，你可以带着正常和异常样件，做一次有记录的试灯。

一、先把这些名字分开，选灯才有方向

一次拍照，光大致沿着这条路走：光源发光 → 照到工件 → 经过反射、散射或透射 → 一部分光进入镜头 → 相机形成图像。

正常表面和缺陷，把多少光送进镜头，决定了它们在图像里的差别。评价照明时，要看要检测的特征怎样表现，不能只看灯本身亮不亮。

常见名称回答的其实是不同问题：

图 1｜选灯之前，先把五种问题分开

这些名称可以组合。例如，一根红色条形灯可以用低角度做暗场照明；一个发光面板可以放在工件背后做背光。看到“红光”还不知道照射方向，看到“面光”也还不知道检测目标。

把安装方式、覆盖范围、颜色和拍照时机分别写下来，一套照明方案就容易描述清楚了。〔Advanced Illumination 的照明指南〕也按几何关系、波长、滤光和实际工件条件来分析照明。

选灯前，先看工件怎样把光送回来

回到那条划痕。假如它在一块平整、较光滑的金属上，正常表面会把较多的光反射到特定方向。镜头恰好接到这部分光，背景可能很亮；略微改变位置，镜头接不到它，背景又可能很暗。这类反射称为镜面反射，可以先想成镜子的反光。

粗糙、哑光的表面则会把光分散到更多方向，常表现出较强的漫反射。真实工件还可能同时有光滑涂层、粗糙纹理和油污。只知道“这是金属”或“这是塑料”，还不足以确定照法。

曲面又多了一层变化：不同位置的表面朝向不同，反射光也会往不同方向走。所以同一盏灯照在平板上效果不错，换到圆柱表面后，可能出现亮带、暗区或位置敏感的反光。

透明材料还会透过、折射一部分光；不同颜料会选择性吸收光；一些材料能在合适照明下发出荧光。它们提供的差别，未必来自表面起伏。〔Edmund Optics 光与材料相互作用说明〕

因此，试灯之前可以先把问题写成一句话：我要突出的是表面方向的变化、颜色的变化、透过光的变化，还是外形的变化？后面介绍的照明方式，都是围绕这句话安排的。

二、明场、暗场、背光：先看光最后去了哪里

明场：背景亮起来，变化处可能变暗

先看一种容易理解的反射明场：相机能够接收到正常表面反射回来的光，所以正常区域比较亮。如果局部划伤、凹陷或纹理改变了反射方向，那里进入镜头的光减少，就可能表现成暗线或暗块。

因此，明场也能用于查划痕和凹陷。它是否有效，要看材料和光路，不能只按缺陷名称选灯。对于粗糙表面，情况又会不同；也不能把所有明场都理解成一个固定的垂直照射角度。

CCS 的线光源技术资料介绍了一种同轴聚光照明：平整处的反射光进入相机，不平整处的光偏离相机，图像里便出现暗部。资料列出了金属板凹痕、划痕等用途，实际配图展示的是板材凹痕。这提供了一条思路：让正常表面亮起来，也可能把异常显出来。〔CCS 技术图例，印刷页 33〕

暗场：让正常背景暗下来，接收缺陷带来的光

对于一些平整、较光滑的表面，可以让照明的主要反射光避开镜头。正常区域在图像里较暗，而划痕、颗粒、边缘等处把一部分光散射或反射进镜头，特征便可能亮起来。

低角度照明是常见做法，但“低角度”不是唯一判据。更关键的是：正常背景的主要光是否避开了镜头，目标特征的光能不能被收到。灯、相机和工件的相对位置改变，效果也会改变。〔Edmund Optics 暗场照明说明〕

暗场会突出想找的划痕，也可能把正常纹理、灰尘或边缘一起突出。划痕方向不同，单一方向的灯可能有的拍得明显，有的拍得很淡。

一个公开案例来自 Advanced Illumination：客户要在运动中的白色纤维水泥板上找表面划痕，使用低角度条形照明，兼顾覆盖范围和均匀性；同一工位还安排了另一组明场照明，分别控制。这里用到的是条形灯，也说明暗场并不只由某种专用环形灯实现。〔水泥板检测应用案例〕

划痕属于缺陷的一种，明场和暗场都可能用来查它；不存在“暗场只查缺陷，明场专查划痕”的固定分工。

背光：先把轮廓和透过来的光看清

让光源和相机分处工件两侧，工件位于中间，就是常见的背光布置。不透明工件会挡住光，在亮背景里形成暗轮廓，适合从外形、孔洞、间隙或缺口入手。

透明、半透明材料则可能透过一部分光，可以围绕异物、遮挡和透过光的变化安排检测。但透过、折射、表面反射都会影响图像，不能把透明材料当成没有光学影响的窗口。

若只获得了不透明工件的剪影，就没有理由据此判断正面的浅划痕。尺寸测量还要核对边缘成像、镜头和标定；一张轮廓清楚的图，不等于尺寸已经测准。〔Edmund Optics 常见照明方式〕

这里还值得认识准直照明。普通漫射背光把光送向多个方向，准直照明则让光线方向更集中。一些产品称为远心照明，常与合适的远心镜头配合研究尺寸测量。

例如，亮面的圆柱边缘可能把普通背光反射进镜头，影响软件找到的轮廓位置。准直照明可以帮助控制这类边缘影响，但实际精度仍需由镜头、标定、工件姿态和重复测量共同验证。不能把“背光”视为一种固定的出光结构，也不能仅凭灯的名称保证精度。〔Opto Engineering 远心照明说明〕

图 2｜明场、暗场、背光，先看光去了哪里

三、遇到反光，同轴光和漫射光各自怎样帮忙？

同轴光：让照明沿相机观察方向到达目标

常见的同轴照明通过分光元件，把光引到相机的观察轴线上，照向工件；相机再沿这个方向观察。它常用于较平整、反光的表面，让正常区域获得较均匀的亮背景，再观察印字、污渍或反射状态的变化。

“同轴”说的是光路安排，不表示所有目标都会无反光、无阴影。目标倾斜、起伏明显，或表面反射状态变化时，图像也可能变化。前面的 CCS 板材例子，就是用同轴光路把不平整处表现成暗部。

漫射光、穹顶光：从多个方向提供较柔和的照明

对亮面的曲面工件，一盏方向很集中的灯可能照出一块刺眼反光。漫射照明把光分散到多个方向，可以减弱某些强反光和阴影。穹顶灯是常见实现之一，可以先把它想成给工件罩上一片发光的“天空”。

它常用于有曲面、起伏或混合反射区域的目标。不过，更均匀的图也可能弱化某些依靠方向差异显现的浅划痕。检查印字时希望压住的纹理，在检查纹理本身时又可能是需要保留的信息。

选择照明时要同时看两件事：目标特征有没有被显出来，干扰特征有没有被压住。〔Edmund Optics 穹顶照明说明〕

图 3｜同轴与穹顶照明，分别控制什么

四、点光、面光、线光都存在，条形灯又算什么？

这些名称更多描述发光区域、照射形态或产品结构。不同厂商的叫法会有重叠，先看实际光斑、光束和安装图更可靠。

图 4｜光源形态与照射范围

工程里称作点光源的产品，仍然有实际尺寸和光斑。条形灯也不一定把光聚成细线；一根长条灯可以照亮较宽区域，一款线光源则可能通过光学结构形成窄条照明。〔CCS 光源分类〕、〔Edmund Optics 条形灯说明〕

线光源确实存在，而且在线扫检测中很常见。可以把普通线扫相机理解为一次读一行，工件与相机相对运动后，再把多行组织成图像。照明要落在它正在读取的那一条区域上，还要满足速度所要求的收光量。CCS 的线光产品用于金属薄片等外观检查，也有聚光、漫射等不同结构。〔CCS LNSP2 线光源〕

这里还要分开另一件事：用于二维取图的 LED 线光，与用于三维测量的激光线，任务不同。

激光轮廓测量把一条激光投到表面，从另一角度观察线的位置，再结合已知几何和标定计算高度。线照到了目标，只是其中一步；获得可靠的高度数据还需要完整测量系统。〔LMI 激光三角测量原理〕

这个比较说的是两种典型用法。LED 也能通过投影组件把线条或其他图案投到目标上，参与三维重建，这类方式属于结构光。看到“LED”不能直接判断为二维，看到“激光”也不能直接判断系统已经能测高度；要继续看投了什么、相机怎样观察、软件怎样计算。〔Opto Engineering LED 图案投影应用〕

有时需要分别从几个方向照，再拍几张图

前面提到，划痕方向不同，单一方向的照明可能漏掉某些特征。一种试验方式是从不同方向分别照明，保存各方向的原图；环形灯的不同分区或多根条形灯都可以参与这类布置。

再进一步，可以用光度立体方法分析同一表面在不同照明方向下的亮暗变化，尝试减弱颜色纹理的影响、突出与表面起伏有关的特征。CCS 的分区环形灯资料给出了依次从四个方向照明、计算轮胎纹理与形状图的例子。〔CCS 分区照明与光度立体应用〕

它需要对应的拍照和计算流程，效果仍受材料、照明条件和图像对齐影响。一次把所有灯点亮，与分别拍图后计算，得到的信息不同；算出了起伏特征，也不自动等于获得了可用于验收的深度数值。

图 5｜二维线照明与三维测量的典型流程

五、黑白相机也可以用彩色光，颜色究竟改变了什么？

红、绿、蓝照明改变了照到工件上的光谱。材料对不同波段的反射、吸收和透过不同，进入镜头的光便可能不同。

黑白相机记录亮暗，仍然可以利用这种差别。例如，在合适材料和相机响应条件下，红色区域在红光下可能较亮，另一种颜色的区域较暗。相近的颜色也可能一起变亮，把原本想找的标记弱化。具体效果要看原图，不能仅凭肉眼颜色套一个固定答案。〔Basler 光色与对比说明〕

滤光片也能改变相机接收的光谱。Edmund Optics 的官方例子把红、绿胶囊放在白色背光下，用黑白相机观察：原本灰度差别较小，加入绿色滤光片后，两类胶囊更容易区分。这个案例改变的是接收端滤光条件，不能写成“换了绿色灯”。〔胶囊成像与滤光案例〕

如果任务本来就是比较产品颜色，照明光谱、彩色相机设置和白平衡都应保持可复核的条件。随意换成单色灯，可能改变产品在图像里的颜色表现，甚至失去原本要比较的信息。

紫外：有时是在观察材料发出的荧光

某些胶水、油脂或特殊油墨受到合适的紫外光激发，会发出可见荧光。此时相机可以围绕这部分发光来检查涂布范围或是否漏涂。

CCS 公开的胶水示例中，白色 LED 照明较难呈现传感器基板上的胶水，UV 激发荧光后则能够观察。不是所有胶水都具备同样效果，激发波段、材料和滤光条件都需要验证。〔CCS UV 胶水与油脂成像例子〕

紫外照明还可能用于反射或散射成像，不能把所有 UV 检测都叫荧光检测。实际试验要按光源说明做好眼睛、皮肤防护与遮光。

红外：利用材料在另一段光谱下的表现

近红外照明有时能减弱某些染料、印刷或液体对成像的干扰，但它是否透过目标，与具体材料和波段有关。CCS 的例子包括在特定消毒液中观察异物，以及减弱皮革缝线染料的影响。〔CCS 红外应用图例〕

需要同时核对相机和镜头对该波段的响应，以及是否有截止滤光片。更长波段可能需要不同的传感器；红外照明也不等于热成像。看不见的光，不表示相机一定收得到。

图 6｜发光端与接收端的光谱条件

六、一套照明方案，还要怎样与工位、曝光和控制器配合？

先给灯找到能覆盖目标的位置

选好大致照法以后，还要看灯能不能装到需要的位置。工作距离、照射角度、光束范围与发光面积，都会影响目标区域收到的光。

灯移远，光斑和方向关系可能改变；灯移近，也可能出现热点、遮挡或机械干涉。不同出光结构的变化不同，不能只套用“越近越亮”来判断。看安装图、在实际距离下拍图，比只看光源外形更有用。

试拍时，把工件放到检测区域的中心和边缘，再覆盖允许的高度与姿态变化。要看整个需要检测的区域，不能只挑最亮、最清楚的一小块。尤其是明场和暗场，工件稍微倾斜后，原来的反射关系可能改变。

灯的标称功率也不能直接换算成缺陷的清晰程度。照到了哪里、光怎样分布、材料怎样响应、镜头收到多少，都在影响结果。工程上说均匀性时，应注明是在什么位置、什么范围、什么条件下比较；实物图的明暗还叠加了材料和镜头的影响。〔Advanced Illumination 照明设计指南〕

用滤光和偏振控制进入镜头的光

如果环境灯和窗外光不断变化，可以考虑遮光，以及与目标光源匹配的滤光片，让相机少收到无关波段的光。但进入同一通带的环境光仍可能影响图像，不能把加滤光片理解为完全消除环境变化。

偏振片则用于选择光的偏振状态。在一些反光表面上，光源端与镜头端配合偏振片，可以减弱反光，让表面细节更容易观察。效果随材料和角度变化，透光量也会下降。〔Edmund Optics 偏振与反光示例〕

光强、曝光和增益，改变图像的方式不同

如果在运动工位上看到划痕发虚，单纯延长曝光可能让图像更亮，也让划痕在曝光期间移动得更远。缩短曝光能帮助减少这种拖影，前提是剩下的收光量足够。

可以先这样区分几项常见调整：

• 增加有效照明：相同曝光下收到更多光；同时检查目标对比、过曝与反光。

• 延长曝光：收光时间更长；同时检查运动模糊与节拍。

• 提高增益：放大已有信号；同时检查噪声与亮部细节。

• 调整光圈：改变镜头收光；同时复查对焦范围、景深与细节。

增益不会增加实际收到的光。信号很弱时，把信号和噪声一起放大，未必让划痕更容易判断；过曝后已经丢失的细节，也不能靠增益补回来。〔Basler 曝光、增益与图像质量说明〕

选照明强度时，要同时满足目标差别、曝光时间和运行速度。需要高速拍照，就应在允许的曝光内验证收光；需要较大对焦范围，也要把镜头条件一起记录。

常亮、PWM 调光和频闪，不能只凭肉眼判断

再看拍照时机：常亮照明便于连续观察；脉冲照明可以把光集中在需要采图的时间。短的有效照明时间有助于减少运动模糊，但必须和曝光、相机快门方式、控制器能力配合。较长曝光期间如果还收到了明显的环境光，也可能留下拖影，不能只看闪光本身有多短。

上一篇已经讲过“灯闪了，不证明相机拍成了”。这一步也一样：闪光要落在相机真正能够收光的时间里。有些滚动快门相机还要核对整个目标画面能共同接收闪光的时间窗口，具体以型号说明为准。〔Basler 曝光与闪光输出说明〕

还要留意一种肉眼不容易察觉的情况：有些控制器采用 PWM，也就是用快速亮灭的时间比例调节亮度。灯看起来一直亮着，相机很短的一次曝光却未必收到每次都相同的光。曝光与 PWM 周期配合不合适时，可能出现图像亮度波动。

CCS 的官方问答列出了这类现象，说明需要按控制器和相机条件核对，不能把某个型号的曝光限制当成全行业通用数值。〔CCS 控制器与曝光配合问答〕

光源和控制器要作为一套条件核对

控制器负责怎样驱动灯、调节亮度以及响应触发。有些光源自带驱动，有些需要外部控制器。外形相似、插头能接上，不代表驱动条件匹配。

试用前至少核对：支持的驱动方式与额定电压／电流、通道与总负载、触发电平和延迟、脉冲宽度、重复频率，以及光源是否允许所选工作模式。具体连接和限值以配套说明为准。

频闪描述发光的时机；过驱动描述在允许条件下，用较大的瞬时驱动取得更强照明。频闪可以在额定驱动下进行，不能把“支持频闪”直接理解成“可以随意加大电流”。

占空比可以先理解为一段时间内灯实际发光的比例。举一个只用于理解时间的例子：每次发光 100 微秒，每秒发光 100 次，总发光时间是 10 毫秒，占这一秒的 1%。如果每次发光时长不变，次数提高，占空比也会提高。

因此，允许的过驱动不仅取决于一次闪光多短，还与闪光重复频率、散热和规定的驱动条件有关。上面的数字只是计算例子，不代表任何具体光源允许这样驱动。〔Advanced Illumination LED 频闪过驱动原理〕

图 7｜照明时机与曝光窗口要配合

再看持续工作后，图像有没有变化

工位上要关心的还有光源温度与散热空间。刚开机拍到一张好图，不能代替连续工作后的复查；较高工作温度可能影响输出稳定性和寿命。〔Advanced Illumination 热管理说明〕

把遮光、防尘、清洁和固定方式也纳入方案：窗外光变化、灯面污染、支架偏移，都可能改变收到的光。记录安装位置、控制参数和参考原图，后续维护时才有可比较的基准。

确定方案时，最后要保存的是一套能复现的照明条件：灯怎样装、怎样亮、相机怎样收光，以及在什么条件下验证过。

七、白光干涉仪：从“看见划痕”走到“测出高度”

假如原图已经清楚显示一条划痕，下一个问题是“它有多深”，普通外观图的亮暗一般不能直接回答。明场里的暗线、暗场里的亮线都受照明和表面反射影响，亮暗并不是通用的深度刻度。

白光干涉仪在这里值得认识：它把白光、参考光路、相机、扫描机构和计算方法组合起来，用于表面形貌测量。它属于完整的光学测量系统。

以常见的相干扫描干涉方式为例，可以先理解四步：

1. 光分成两路，一路到参考表面，一路到被测表面。

2. 两路返回的光汇合，在适当光程条件下产生干涉信号。

3. 物镜或样件沿高度方向扫描，相机在不同位置记录信号。

4. 系统分析各个图像位置的干涉变化，重建表面高度。

这类系统可以用于表面形貌、台阶和粗糙度等测量。是否适合某个样件，还要看反射条件、表面坡度、可测区域和扫描要求。〔Sensofar 相干扫描干涉原理〕

ZYGO 的机加工表面应用介绍也采用这类技术测量形貌和粗糙度。这里得到的是定量表面数据，不能把它等同于普通白光拍照时的一张外观图。〔ZYGO 机加工表面应用〕

还要分清指标：高度方向的分辨能力、横向能分开多细的结构、测量重复性和准确度是不同问题。某个很小的高度指标，并不自动保证能测清同样尺寸的横向划痕；选型时仍要用样件核对视野、坡度、振动影响和节拍。〔Bruker 对干涉测量横向分辨能力的说明〕

可以把三个任务暂时分开记：

• 找外观差异：研究二维视觉与合适照明，保留原图差别及稳定判定的证据。

• 测表面轮廓或高度：研究激光三角测量等三维方法，核对标定、范围和实际高度数据。

• 测微观台阶、形貌或粗糙度：研究白光干涉等光学表面测量，核对测量条件与指标定义。

这是理解任务的起点。它们有应用交叉，最终方法仍由工件与测量要求决定。

图 8｜白光干涉测量的简化原理

八、真正开始调灯时，先做这五步

认识这些名称之后，回到设备旁边，仍然需要一次有记录的对照。

第一步，写清楚要找什么。是颜色变化、表面划痕、外形缺口，还是要测深度？按实际检测要求找已知异常样件和正常样件，明确比较位置。尽量包含接近判定边界、较难看见的缺陷，以及容易混淆的正常纹理；只有一条很明显的划痕，还不能代表检测要求。

第二步，确认原图里的问题。是过暗、强反光、缺陷与背景差别小，还是边缘发虚、运动拖影？对焦、视野、像素采样和运动问题也会造成看不清，照明方案不能包办所有原因。

第三步，留住原设置，每次改一项。记录灯的位置、角度、颜色、亮度与控制方式，以及曝光、增益、光圈和工件姿态。核对自动曝光、自动增益是否也在改变图像。需要配合调整曝光时，把这一步单独记下；同时改灯、曝光和姿态，不能把变化都归因于换了灯。

第四步，同时检查异常和正常区域。缺陷更明显了，正常纹理是否也出现了相似特征？将样件移到需要覆盖的不同位置，并旋转到允许姿态，目标差别是否还在？重复拍图，确认不是碰巧收到了一次反光。不要只保存效果最好的一张。

第五步，回到实际运行条件复查。用多个样件，在预期速度、环境光和连续工作条件下观察，并比较开机初期与稳定运行后的图像。原图已能稳定呈现信息，而检测仍失败，再检查取图关联、检测区域、参数和算法。

可以给每组候选方案留下这样的验证记录：

• 目标能否与背景分开：保留同一区域的原图和灰度／颜色变化，也覆盖较难样件。

• 信息有没有被盖住：标出强反光、过曝、阴影、噪声和拖影的位置。

• 正常区域会不会混淆：记录正常纹理、灰尘等是否呈现与缺陷相似的特征。

• 全部检测范围是否可用：保留中心、边缘、允许高度和姿态下的对照图。

• 重复与连续工作是否稳定：记录重复采图、实际速度、环境光和热状态。

• 参数和安装能否复现：保存光源与控制器、安装位置、曝光等设置，以及参考样件和原图。

这里给的是入门验证方法。具体样本数量、允许波动和判定界限，应由实际检测要求确定。也不宜把某个案例里的对比值直接当成所有设备的验收标准。

每轮只留下三个具体答案：改了什么，目标特征怎么变，正常区域怎么变。这也是读完本篇之后，最值得自己做的一次练习。

图 9｜试灯时留下五步记录

这次的工程判断

光源是机器视觉的重要组成部分，因为它参与决定相机能够记录什么差别。明场、暗场、背光、颜色、形态和控制方式，都是围绕这个目标安排的条件。

一个有效方案，要把想找的特征呈现出来，控制容易混淆的东西，并在工件变化、实际速度和持续工作中保持可重复。试灯时留下的记录，既帮助比较方案，也帮助后续维护。

把这次的检查路线记成一句话：查什么 → 工件怎样响应光 → 先试哪种照法 → 参数怎样配合 → 怎样证明方案稳定。需要高度、深度或粗糙度时，再继续走向适合的测量方法。

从“拍得到”到“看得清”，已经跨过了重要一步。下一篇再追：软件在样图上判得很好，换一批产品为什么不行？