对比度

对比度是机器视觉的核心要素。照明的关键任务是让需要观察的特征与背景特征之间形成清晰对比，便于特征的区分。好的照明应使目标特征突出于周围区域，提供足够的灰度差异。

亮度

在两种光源之间选取时，通常应选更亮的那一个。光源不足会带来三方面问题：信噪比降低、对比度下降导致噪声增多；为了补偿亮度不足往往需要增大光圈，降低景深；以及容易被环境光干扰，外部随机光影响增大。

鲁棒性

评估好光源的另一标准是对部件位置的敏感度是否最小。若光源在视野内的不同区域或不同角度放置，成像结果应保持稳定。方向性强的光源易在高光区域产生镜面反射，影响后续特征提取。因此，理想的光源应在实际工作中仍保持实验室效果的一致性，能够在不依赖部件位置的情况下提供明显的对比度和充足的亮度，并对位置变化具备良好鲁棒性。

反射控制与光源可预测性

在机器视觉中，控制反射是实现稳定成像的核心。通过合理控制光源的入射角、反射路径及镜头处的反射强度，可以获得稳定且可控的图像。光源入射到物体表面后的反射具有一定的可预测性：部分光会被吸收，部分光会被反射；入射角等于反射角的定律使得光的传播和反射在设计中变得可控。

物体表面的影响

如果物体表面完全一致，照明设计会简单许多，但现实中表面差异较大，因此需要针对观察区域的物体表面特性分析光源入射后的反射。决定反射效果的因素包括光源位置、表面纹理、表面几何形状及光源的均匀性。

光源位置与均匀性

光源的位置直接影响对比度的形成。理想的设计应使目标特征与背景的反射差异最大化。对表面均匀入射的预期反射，可以帮助确定光源的最佳放置位置。表面纹理决定了反射特性：高度镜面反射的表面与高度漫反射的表面在光照下的成像差异很大。光滑 vs 粗糙表面在显微下的角度变化导致光的分布不同，影响到成像亮度与均匀性VSport。复杂曲面的光照需要从多个角度照射，以降低阴影和镜面反射的影响。

光源均匀性

不均匀的光会在视野中产生亮暗斑点，造成反射不均匀，从而干扰表面特征的提取。均匀照明能够在不同部位对物体表面的角度变化起到补偿作用，使反射在各部位保持相对一致。

光源技术应用及六大照明技术

光源技术的目标是通过几何布置和位置选择来提升对比度，让关注区域更加突出。常用的六类照明技术包括：通用照明、背光、同轴照明、连续漫反射照明、暗场照明、结构光照明。

- 通用照明

以环形或点状照明为主，环形灯是常用的通用照明，易于安装在镜头周围，适合漫反射表面的均匀照明。

- 背光照明

将光源置于物体背后，强调轮廓对比，适合获得强对比度的影像，但可能丢失表面细节。例如可用于测量硬币直径，却难以判断正反面。

- 同轴照明

光源沿摄像头轴线照射，被半透镜镜面反射引导到镜头轴向，适合对扁平且具镜面特征的物体实现均匀照明。也有助于高亮处的区域对比，因为非垂直于镜头的反射不会进入镜头。

- 连续漫反射照明

使用半球形均匀照明来降低阴影和镜面反射，适用于具有复杂表面角度的对象，如完整组装的电路板，能够提供较大角度范围的均匀照明。

- 暗场照明

通过降低背景反射来增强边缘特征，常用于提取微小轮廓或边缘信息。

- 结构光照明

通过投影特定的光模式来获取三维信息，常用于形状和深度分析。

选择光源的要点

在确定照明技术后，要选择具体的光源类型。优质光源应具备足够的均匀性、稳定性以及与观察任务相匹配的光学特性。选型时应考虑以下要点：

- 光谱特性：光源的颜色及其对待测物体表面颜色的影响，白光或特定光谱会影响不同颜色特征的提取。多色特征分析时，色温也是关键因素，例如卤素灯偏黄、氙灯偏蓝。

- 效率与热量：高效光源能在较低能耗下输出更多光能；而低效光源往往产生较多热量，可能导致局部过热。通常温度越高，寿命越短、能耗越高。

- 使用寿命：光源需要长时间稳定工作。LED等光源通常具备较长的连续工作能力，但也会随时间老化而亮度和光谱发生变化，从而影响成像结果。

- 成本与维护：更换成本、采购便利性以及市场可得性都会影响总成本。

通过综合考量上述因素，合理设计光源与照明方案，可以显著提高机器视觉系统的对比度、稳定性和鲁棒性，从而提升检测与识别的准确性。