選擇正確的照明
選擇正確的照明
客戶通常會苦於成像系統中的對比度與分辨率問題，與此同時卻忽略正確照明的力量。實際上，通常改善系統的照明即可取得所需的影像品質，而無需投資購買分辨率更高的傳感器、成像鏡頭與軟體。
正確的照明對成像系統而言非常重要，不正確的照明會產生多種圖像問題。例如，高光溢出或亮斑會隱藏重要的圖像資訊，如同陰影效果一樣。此外，在測量時，陰影還會導致邊緣計算發生錯誤，從而導致測量不準確。不良的照明還會產生很低的訊噪比。尤其是不均勻的照明會導致訊噪比受損，並增大臨界邊緣擷取等任務的難度。以上所述只是正確照明對您的應用非常重要的一少部分原因。
若要在整合系統時確保最佳照明 ，請務必了解到適合的元件所發揮的作用。每個元件都會影響傳感器上的入射光量，因而影響系統的圖像品質。成像鏡頭的光圈 (f/#) 會影響相機上的入射光量。在光圈變小時 (即f/#更高) 時，應增加照明。高倍率鏡頭通常需要更多照明，因為所檢視的較小視野反射回鏡頭的光較少。相機的最小敏感度須符合系統所需的最小光量時也很重要。此外，諸如增益、快門速度等相機設定也會影響傳感器的敏感度。
| 表 1: Key Photometric Units | |
| 1 footcandle | = 1 lumen/ft2 |
| 1 footcandle | = 10.764 meter candles |
| 1 footcandle | = 10.764 lux |
| 1 candle | = 1 lumen/steradian |
| 1 candle | = 3.142 x 10-4 Lambert |
| 1 Lambert | = 2.054 candle/in2 |
| 1 lux | = meter candle |
| 1 lux | = 0.0929 footcandle |
| 1 meter candle | = 1 lumen/m2 |
我們的照明產品通常以**footcandle（呎燭光）**這個英制單位來標示光強度。
而國際標準單位（SI）中使用的是 lux（勒克斯）。
| 表2：照明比較 | ||
| 目的 | 檢測對象 | 建議的照明類型 |
| 減少鏡面反射 | 閃亮物體 | 漫射前部、漫射軸向、偏振 |
| 物體的均勻照明 | 任何類型的對象 | 漫射前光、漫射軸向光、環形光 |
| 突出表面缺陷或拓撲結構 | 近乎平坦的（二維）物體 | 單向結構光 |
| 用陰影突出物體的紋理 | 任何類型的對象 | 定向結構光 |
| 減少陰影 | 有凸起的物體、3D物體 | 漫射前光、漫射軸向光、環形光 |
| 突出顯示物件內的缺陷 | 透明物體 | 暗場 |
| 輪廓物體 | 任何類型的對象 | 背光 |
| 物體的三維形狀輪廓 | 有凸起的物體、3D物體 | 結構光 |
照明類型
由於合適的照明往往是系統成敗的決定性因素，因此人們開發了許多專用產品和技術來克服最常見的照明障礙。本節中使用的目標旨在展示各種照明方案針對各種物體特徵的優缺點。目標上的凹槽、顏色、表面變形和鏡面反射區域代表了一些在實際應用中可能需要特別注意的常見問題區域。
| 定向照明 – 來自單一或多個光源的點光源照明。透鏡可用於聚焦或擴散照明。 | |
| 優點 | 明亮, 靈活, 適應環境, 均勻。 |
| 缺點 | 陰影和眩光。 |
| 使用的產品 | 光纖導光設備, 聚焦組件, LED聚光燈。 |
| 應用 | 對不光滑及平直的物件進行檢測與測斜向照明量。 |
| 斜向照明 – 點光源照明，與定向照明類似，只是以銳角入射。 | |
| 優點 | 顯示表面結構和改善物件形貌的顯示效果。 |
| 缺點 | 亮點和極端陰影。 |
| 使用的產品 | 光纖導光設備、聚焦組件、LED聚光燈。 |
| 應用 | 識別深度物件的缺陷，檢查不透明物件的表面處理。 |
| 漫射照明 – 來自擴展光源的漫射、均勻的光。 | |
| 優點 | 減少眩光和提供均勻的照明。 |
| 缺點 | 體積大，難以放入狹小空間。 |
| 使用的產品 | 漫射LED照明燈和LED線性燈 |
| 應用 | 非常適合具有很長工作距離的大型發光物件的成像。 |
| 環形光源（Ring Light）– 直接安裝在鏡頭上的同軸照明。 | |
| 優點 | 直接安裝在鏡頭周圍，減少陰影。在適當距離下提供均勻照明。 |
| 缺點 | 高反射性表面會產生圓形眩光圖案。僅適用於相對較短的工作距離。 |
| 使用的產品 | 光纖環形導光設備; LED環形燈。 |
| 應用 | 多種無光澤物體的檢測與測量系統。 |
| 漫射軸向照明 – 漫射光照明和鏡頭同軸設計。鏡頭視線穿過將光反射到物件上的分光鏡。照明與成像系統同軸。 | |
| 優點 | 無陰影; 均勻照明; 眩光很少。 |
| 缺點 | 體積大且安裝困難。工作距離有限。通過內部分光鏡導致亮度較低。 |
| 使用的產品 | LED同軸照明燈。光纖漫射同軸轉接環。 |
| 應用 | 高反射性物件的測量和檢查。 |
| 結構光 – 投射到物體上的圖案。通常是雷射投射線、光斑網格或圓 | |
| 優點 | 透過在小區域提供強照明來增強表面特徵。可用於取得物體的深度資訊。 |
| 缺點 | 可能會導致暈染並被某些顏色吸收。 |
| 使用的產品 | 直線型雷射產生二極體，廠房直線型導光設備，LED投影燈。 |
| 應用 | 檢測三維物體是否有缺失的特徵。表面處理測量。 |
| 偏振光 – 一種定向照明，使用偏振光移除鏡面反射與亮點。 | |
| 優點 | 為物體的整個表面提供均勻照明。眩光極少，使表面特徵清晰可辨。 |
| 缺點 | 通過偏振片導致整體亮度較低。 |
| 使用的產品 | 偏振濾光片和偏振器/分析器適配器。 |
| 應用 | 高反射性物件的測量和檢查。 |
| 暗場 – 光線透過垂直於鏡頭的邊緣進入透明或半透明的物件。 | |
| 優點 | 以高對比度呈現內部與表面訊息。改善劃痕、裂縫與氣泡的顯示效果。 |
| 缺點 | 邊緣對比度不佳。不適用於不透明的物件。 |
| 使用的產品 | 光纖暗場配件，直線型導光設備，直線型雷射產生器，LED暗視場環形燈。 |
| 應用 | 玻璃與塑膠檢測。 |
| 背光 – 自後方照亮物件。用於呈現不透明物件的剪影或用於通過透明物件的成像。 | |
| 優點 | 高對比度，適合邊緣偵測。 |
| 缺點 | 表面訊息遺失。 |
| 使用的產品 | 光纖背光燈。LED背光燈。 |
| 應用 | 測試板與測試圖案、邊緣監測、不透明物件的測量，以及半透明彩色物件的分類。 |
加上濾光片後，影像對比度會有明顯差異
以下影像皆使用 10X 近距變焦鏡頭（型號 #54-363）拍攝，視野範圍為 30mm，工作距離為 200mm。
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| 僅使用暗場照明： 缺陷會以白色亮點顯現。 | 暗場照明搭配藍色濾光片： 改變整體對比風格。 |
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| 暗場照明搭配背光照明（未使用濾光片），但邊緣對比明顯提升 | 暗場照明未使用濾光片，背光照明搭配黃色濾光片：整體對比度提升，缺陷會以白色突顯於背景之中 |
使用偏光片進行影像強化
偏光片能有效消除鏡面反射（眩光），並強化影像中的表面瑕疵對比。偏光片的安裝位置可依被檢物體特性決定，可裝在：
• 光源上
• 鏡頭上
• 或同時安裝在光源與鏡頭上
若光源與鏡頭都裝有偏光片，則必須將兩者的偏光軸設為垂直，才能達到最佳的眩光抑制效果。
以下是針對不同材質與場景的眩光問題，提供的偏光解決方案：
問題一（Problem 1）
物體為非金屬材質，且照明以銳角入射。
解決方案
• 先在鏡頭前加裝偏光片，通常就足以消除大部分眩光。
（可旋轉偏光片以尋找眩光最小的位置）
• 若仍有眩光殘留，可再於光源端加裝第二片偏光片，形成雙偏光交叉配置（偏光軸互相垂直）。
問題二（Problem 2）
物體表面為金屬或具有強烈光澤（鏡面反射）特性。
解決方案
建議在光源與鏡頭上都安裝偏光片，可有效提升影像對比並突顯表面細節。
當偏光光線照射在具有光澤的金屬表面時，反射光依然保有原本的偏振方向；然而，金屬表面的刮痕、凹陷等缺陷，會改變光線的偏振狀態。
將鏡頭前的偏光片旋轉，使其偏光軸與光源的偏光軸垂直時，可最大限度地抑制鏡面反光，讓表面的刮痕與瑕疵更加明顯地顯現在影像中。
問題三（Problem 3）
被測物同時具有「高反光區域」與「漫反射區域」，例如鍍膜表面有指紋、塑膠外殼中帶有亮面與霧面結構等。
解決方案
當使用兩片偏光片且偏光軸彼此垂直時，可有效消除影像中因金屬部件產生的高光（亮斑）。這是因為金屬表面的反射光仍保有偏振方向，而經交叉偏光處理後會被過濾掉；而畫面中其他漫反射區域所反射的則是隨機偏振光，能順利通過鏡頭前的偏光片，因此整個視野會呈現均勻、柔和的亮度分佈，讓影像更清晰、細節更分明。
