机器视觉中使用的光线光是什么？光的公理
作为所有视觉信息和机器视觉的信息载体，光是基于电磁波的。光指的是电磁谱的一个有限部分。光波的范围从15纳米到1毫米的波长（见表3.1）。它可以分为三个常见的范围：
紫外光（UV光）：波长从15纳米到380纳米
可见光（VIS光）：波长从380纳米到780纳米
红外光（IR光）：波长从780纳米到1毫米
在下限处，它与X射线有关，而在上限处，它与微波有关。大多数机器视觉应用使用可见光范围和近红外范围。一些少数应用将光的使用扩展到近紫外区域。但这需要特殊的图像传感器。
人类可见的光范围包括从蓝色到红色的整个颜色光谱。对于人类来说，各种颜色（数量不同）的混合多少会呈现为白色。
关于光是波还是粒子的问题是一个哲学问题。使用波的特性，我们可以运用电气工程的理论来处理它。这就是物理光学的领域。这使得我们能够解释衍射、偏振和干涉等效应。
光子作为能量的载体具有粒子的特性。为了说明光子的能量，可以提到一个1毫瓦功率的激光大约会发射约10^16个光子/秒。
光子的传播方向（也是波前法线的方向）用光线来表示，这是使用几何光学的方法。实际上，几乎不会出现单个光线，所以通常会谈到光线束。射线模型对于解释机器视觉中的照明是清晰简单的方法。
因此，光总是以波和粒子的形式存在。这被称为波粒二象性。根据要解释的效应，可以使用波动性或粒子性的特性。
为了解释照明和光学效应，对光的一些公设（已建立的假设）进行了制定：
• 光是一种电磁波（具有电场和磁场分量）
• 光在均匀和各向同性的介质中沿直线传播
• 不同光源的光之间没有相互作用
• 折射和反射发生在界面上
• 传播速度取决于穿越的介质
• 光的传播速度是c = λ · f，其中λ是波长，f是光的频率。
光传播的速度取决于光穿过的介质。299,792千米/秒的绝对速度只有在真空中才能达到。在其他介质中，光的传播速度会较慢。当光路中插入其他材料时，需要考虑这一点。这会导致距离的变化。传播速度与光学的折射定律相关（参见图3.9）：
n, n'是介质的折射率，
n0 是真空中的折射率，等于1，
c, c' 是介质中的光速，
c0 是真空中的光速，
αi 是入射角，
αr 是出射角。
根据n = c0/c的关系，可以制作出折射率和光速的表格，见表3.2。
光与光的感知为了简化，以下观点不考虑成像物镜对透过光到图像传感器的光谱组成的影响。每个物镜都有其特定的光谱透过率，会改变光的组成。
从光的光谱感知出发，机器视觉相机的固态图像传感器材料和人眼对光的感知是不同的。人眼的光谱响应涵盖了380 nm至780 nm之间的光谱范围，并由所谓的V(λ)曲线（用于日光感知）描述。这条曲线是计算所有光度单位（如光强度、光通量等）的基础。
机器视觉相机的光感知与人眼不同。在大多数情况下，机器视觉使用的光的波长介于380 nm至1100 nm之间（从蓝光到近红外）。这是由于传感器的接收和光谱响应所引起的。精确的依赖性是由图像传感器的固态材料所引起的。相机中使用的图像传感器的数据表可以提供有关这方面的信息。
一种固态图像传感器的灵敏度如图3.10所示，每个像素只能输出加权的亮度信息。一个单独的像素无法确定颜色。
要解释和确定颜色，需要结合三个（或四个）具有不同颜色感知的像素的信息。红色、绿色和蓝色（RGB）或互补颜色青色、黄色和品红色是确定颜色值的典型三元组。
在实际应用中，这通过微型光学马赛克滤光片实现，用于单片彩色相机（见图3.11）。这些颜色滤光片覆盖了图像传感器内部的单个像素，形成特殊的图案（例如Bayer图案），使其具有光谱敏感性（单片彩色相机）。
另一种构造使用三个独立的传感器。每个传感器只对一种颜色（RGB）敏感。所有三个传感器的信息相互关联，提供颜色信息（3-CCD相机）。
传感器的亮度感知是一方面。另一方面是光源发出的光谱供应。图3.12显示了不同LED的典型光谱供应。
光源与接收器之间的相互作用意味着只有光源和传感器之间的有效协调才能为具有大灰度级差的图像提供基础，从而确保视觉系统信号链中的后续组件能够在机器中以最佳状态运行并可靠工作。
以下示例展示了CCD成像器的亮度感知与不同典型颜色LED光源的组合（见图3.12）。高斯光谱光分布的近似仅适用于单色LED。对于白色LED，没有简单的近似方法。
光源的功率通常在数据表中以其发光强度/辐射强度来表示。简化来说，它代表了相关曲线下的面积，乘以一个常数，该常数表示在不考虑传感器灵敏度的情况下的光源功率。需要指出的是，传感器和人眼的亮度感知是不同的。
通过一些计算和转换得出的CCD成像器对亮度的评估结果如表3.3所示。
可以看出，在人眼用于的发光强度（对人眼的亮度）/辐射强度的目录值与传感器评估的辐射之间存在差异。
尽管红色LED的发光强度（对人眼）并不是最大的，但它在CCD传感器上产生了最大的灰度值。
另一方面，具有最大发光强度（5100毫坎德拉）的白色LED只产生中等的灰度值。这是由于人眼的V(λ)曲线的值与CCD传感器的感知之间的差异造成的。
即使是红外LED由于其较宽的半峰宽波长，其辐射强度对于传感器来说相对较低，仍会产生相当的灰度值。
对于每个传感器 - LED组合，都必须考虑这些因素，以找到一种新的有效照明方式，以实现最大的亮度。然而，仍然有一些更多的光与测试物体之间的相互作用会对所选择的照明组件产生影响。
用于机器视觉的光源照明组件的基本元素是光源。内置的光源在很大程度上影响整个照明设置。
光源的种类可以通过光的转换方式进行实际分类。在本文中，只提到了那些在机器视觉中使用的典型光源。
（a）温度辐射源
这些辐射体（灯泡）的白炽辐射产生了一种混合波长和连续谱。对于固态成像器而言，其效率较低，因为只有发射光谱的一部分被利用。温度辐射源需要较高的工作温度，温度越高，效果越好（T4），辐射的光线越白。如果温度较高，辐射最大值会向较短的波长偏移（维恩位移定律）。这些辐射体提供了简单的操作模式。
（b）荧光辐射体
这些包括LED和激光器。它们在有限的光谱带内选择性地发射光。由于选择性发射，与适应的接收器相比，其效率较高。在低温下，这些光源的工作效率最高。其中一些光源具有复杂的操作模式。
就转换后的光功率而言，所有光源在其效率和光输出方面是可比的。理论上的最大值是单色绿光（555 nm）每瓦683流明。对于白光，理论最大值是225流明/瓦。实际光源的效率显示在表3.4中。
在未来的几年里，计划将有色LED的发光效率提高到每瓦300流明。因此，LED将成为已知的最高效的光源。
白炽灯 / 钨丝灯在它们的经典形式中，这些灯使用钨丝作为白炽发射的材料。辐射的宽带发射（从紫外到红外，见图3.13）导致只有约7％的能量被转化为可见光。这导致其效率较低。
为了获得高的光通量，钨丝必须尽可能地热，即必须使用比推荐的更高电压来驱动。但是，热是白炽灯寿命的不利因素。因此，它们始终在强度和寿命之间进行折中。典型卤素灯的依赖性如下：
其中，
t0 是额定寿命，
L0 是额定光通量，
T0 是额定色温，
U0 是额定电压，
U 是工作电压。
指数依赖于光通量的特性清楚地表明，卤素光源只能通过稳定的电源供应进行驱动。非稳定的电压源会导致光通量的变化增加。
卤素灯在灯泡内填充了卤素气体。这有助于在寿命内限制暗化过程，并且也使亮度增加一倍。发射过程中的钨蒸汽再次沉积在灯丝上而不是玻璃灯泡上。但是卤素循环仅在额定电压的70%至105%之间起作用。卤素灯通常用于冷光源。为了提高光输出，这些灯上装有冷镜，将可见光反射到纤维束耦合上。红外辐射通过冷镜向后传递。
优点：
• 光亮度高
• 连续光谱（可见光：白光，色温为3,000–3,400 K）
• 低电压操作
• 也适用于高温环境（高达300摄氏度）
缺点：
• 典型寿命：300–2,000小时（非常短！）
• 高功率卤素灯寿命更短
• 亮度急剧下降（漂移）
• 对振动敏感
• 开关开关和关闭延迟使其仅适用于静态光
• 操作电压波动直接传递给亮度变化 – 需要强大的稳定
• 在某些情况下需要保护措施 – 根据玻璃灯泡（石英玻璃或硬玻璃）发射紫外光（使用石英玻璃）
• 内置坚固外壳时体积大且重
• 需要额外的光纤来形成光（约有40%的光输出损失（耦合、光传递））
• 产生大量热量
对于机器视觉的考虑：
• 适用于彩色应用，具有良好的色彩还原效果
• 无法满足工业对光照的要求
金属蒸汽灯这类气体放电灯在高效率和高光输出方面表现出色。灯内的金属蒸汽用于产生所需的气体放电蒸汽压力。
由于需要排散大量热量，这种灯在机器视觉中的应用也相对较少。金属蒸汽灯通常内置于冷光源中。
优点
• 光亮度非常高
• 冷光（高色温）
缺点
• 寿命有限，约为10,000小时
• 亮度适应仅在光学上可行
• 需要高电压（最高达30 kV） - 需要采取保护措施
• 灯泡内部气压高
• 光谱中有紫外线成分
• 使用单一的光谱带（参见图3.14）可能会对色彩还原造成问题
• 极为昂贵
• 温度范围有限（通常为10–40摄氏度）
• 产生热量
• 需要保持温暖运行
对于机器视觉的考虑
• 很少使用
• 在工业应用方面适用性受限
氙气灯这些放电灯可以用于连续和闪光两种模式。在机器视觉中，氙气闪光灯发生器被广泛采用。由于其高强度，通常用于快速运行的过程的照明。为了冻结运动，它们能够产生高达250,000坎德拉的极短闪光，甚至在20公里的距离内都能看到。
波长光谱范围从150纳米以下到6微米以上（参见图3.15）。氙气闪光灯在可见光区域内提供几乎连续的波长光谱。这导致了均衡的白光，通常不需要额外的色彩平衡滤光片。
与产生连续能量的钨卤灯不同，氙气灯的能量可以集中在高功率闪光中。差异很大。与150瓦的钨卤灯产生1.2 x 10^-2流明的光通量相比，43瓦的氙气闪光灯产生了4流明的光通量。
氙气闪光灯使用感应玻璃管，需要外壳以及昂贵的控制电路，这些电路内置在笨重的箱子中。某些小应用使用闪光管的直接光，通常发射的光会耦合到光纤中以形成光线。
优点
• 极其明亮
• 高色温（5,500至12,000K），非常白，色彩还原最佳
• 闪光持续时间为1-20微秒（短弧模型），30微秒至几毫秒（长弧模型）
• 最高闪光频率高达每秒200次（在闪光能量降低时可达1,000次）
• 最多可达108次闪光寿命
缺点
• 需要保护措施，因为使用高电压
• 由于对光源进行强电脉冲控制而导致的EMC问题
• 昂贵，电子设备成本高
• 笨重，需要光发生器箱
• 形状不灵活（闪光灯泡带有反射器）或需要额外的光纤（由于入射和光传输引起的光损耗约为40%）
• 闪光强度的闪光到闪光的变化（<10%）
• 老化：在几百万次闪光后，强度可能降至50%
对于机器视觉的考虑
• 适用于需要大量光线的彩色图像处理
• 适用于快速运行的过程
• 由于操作条件的限制，工业应用需谨慎考虑
荧光灯荧光灯是一种放电灯，用于照明室内。它们的效率优于白炽灯。由于灯管内的涂层不同，可以选择不同的光谱分布。荧光灯供应商的常见目录提供了广泛的可能性。这些涂层确保了在管内蒸发的汞产生的紫外辐射转化为可见光（参见图3.16）。
荧光灯采用交流电（AC）驱动。由于灯管内的荧光物质在最大时间内保持发光状态，电流方向的变化会转化为光的闪烁，频率是供应电压的双倍。为了避免荧光光与图像采集频率之间的亮度干扰，需要使用HF镇流器（建议使用22 kHz或更高频率）。如果没有这个措施，在最坏的情况下，图像之间的亮度变化甚至可能达到完全黑暗。
荧光灯以低成本解决方案和从远处实现均匀照明而受欢迎。
优点
• 价格便宜
• 可以选择不同的色温（3,000至6,000K）
• 能够照亮大面积
缺点
• 不灵活，光源形状有限（线形、环形）
• 工作寿命较短，5,000-12,000小时，小环形灯只有2,500小时
• 需要HF镇流器（可能存在EMC问题）
• 单一的光谱带
• 温度漂移较大
• 仅适用于静态光，不支持闪光
• 快速老化（经过12,000小时后，亮度约为初始亮度的50%）
• 需要加热运行
对于机器视觉的考虑
• 用于大面积照明
• 低成本解决方案（具有所有缺点）
• 需要使用电子HF镇流器
LED（发光二极管）材料和电子技术的进步推动了LED技术的显著进步。可以说，现在LED照明是机器视觉的标准照明。这一发展是由于汽车行业对坚固、廉价、可靠和高性能光源的需求所推动的。
LED是小型且非常坚固的光源，发出的是冷光，半宽波长约为30纳米（见图3.12），这意味着几乎是单色光。它们具有高效率，光功率效率高达55流明/瓦，趋势逐渐增加。
LED的寿命因颜色、测量条件、环境条件、设计、制造商等而异。对于单色LED，人们认为在最佳条件下，它们的平均寿命在100,000到200,000小时之间，而白色LED的寿命可能要短得多。这些单个LED的数据与工业照明组件的寿命无关。
发射光的颜色取决于LED内部的p-n跃迁底片。有许多颜色是可能的（见表3.5）。
近年来，直接白色LED已经问世。它们与传统的白光源越来越竞争。以前只能通过紧密安装的红、绿和蓝LED（Multiled）三元组来实现的功能，现在可以在一个芯片上实现。从它们的本质来看，白色LED是带有黄色发光体的蓝色LED。嵌入在透明合成树脂中的黄色颜料产生了发出的白光。根据黄色颜料生产的稳定性，可以实现不同的色调，或者干扰需要稳定色彩条件的应用（见图3.17）。
LED可以在短时间内脉冲操作，允许多达十倍的电流超载。其结果可能是发光强度高达十倍（红外）。白色LED在这种工作模式下可以实现高达6倍的发光强度（见图3.18）。实际的发光增加取决于LED使用的底片（颜色）。
请注意，在此操作中，为了避免LED的热破坏，必须保持允许的脉冲工作周期。在脉冲模式下操作LED，甚至经过数千万次闪光后，也不会出现老化现象！
不同的尺寸和小型设计（5毫米、3毫米、SMD类型、芯片上的LED等）激发了机器视觉照明开发人员的创意，产生了各种各样的照明组件。
优点
• 特别适用于工业应用
• 寿命大于20,000到大于100,000小时。强烈依赖于操作条件。
• 抗振动/抗冲击，能够承受更高的G力
• 几乎单色或白光
• 亮度的时间和温度漂移小
• 理想的电控制性能
• 快速响应，响应时间低于1微秒
• 所有颜色和红外的闪光都可行
• 灯光形状可以自由设计，所有的照明技术都可实现
• 可以进行混合颜色照明
• 功耗低，产生的热量少
• 无需维护
• 低电压意味着低风险
• 占用空间小
缺点
• 白色LED的老化会改变色坐标（色调和色温）
• 白色LED的制造不均匀（需要对LED进行分类，考虑中心波长、光功率、色坐标）
• 目前（2004年）亮度还不如卤素灯
• 最高工作温度为60摄氏度，否则老化速度会明显增加
机器视觉考虑
• 配备这些特点，LED是机器视觉的理想光源
• LED技术的进步也将激发机器视觉领域的发展。
激光器在机器视觉中，激光光源相对较少使用。如果使用，通常只应用基于激光二极管模块的激光器，而不使用固态或气体激光器。以下是其特点：
• 高度集中的能量
• 发射相干光
• 发射真正的单色光
• 光源呈点状
高度集中的能量使得在光学功率仅为几毫瓦的情况下，在相机传感器上实现相当的亮度成为可能。然而，高度集中的能量也是使用激光的障碍。为了保护人眼和身体免受浓缩辐射的危险，需要采取许多安全措施。
激光光源被分类为激光保护类别（参见DIN EN 60825-1:1994）。这些类别描述了根据使用的功率和波长所采取的保护措施。这也解释了许多公司不允许在生产线上以任何形式使用激光的原因。
相干光的发射是一种光学现象，基于只有一个波长（单色）的光波以相位发射。许多这些波的叠加导致了干涉的出现，从而形成了特征性的斑点图案。这些斑点图案以局部和时间上不规则的、不断变化的亮点和暗点的形式出现。即使在离焦的成像光学或位于激光光源前的光束整形光学元件中，这种斑点图案也会出现（见图3.19）。这些斑点图案会阻碍大多数图像处理算法的正确功能。
为了避免这一问题，可以通过将激光耦合到多模光纤中来破坏激光的相干性。这种方法成本较高，需要高精度的制造过程。
使用光束整形光学元件，激光照明可以产生最佳的平行光（光束扩展器）。通过使用衍射光栅，可以产生多种用于投影的光结构。
从电学角度来看，激光二极管易于操作，但需要专门的驱动。它们可以在连续波（cw）模式下驱动，也可以调制到几兆赫兹。它们对静电放电和光过载非常敏感。因此，它们需要一个集成的光敏二极管来控制光输出。
优点
• 可实现特殊和不同的光形状
• 可以发射几乎完美的平行光
• 强度很高
缺点
• 需要保护措施
• 由于斑点造成的非均匀照明
• 仅在机器视觉中的特定程序中使用
在机器视觉中的考虑
• 由于对人体的危险，需要谨慎使用
• 在某些3D应用中有用途
不同光源的比较网格图（见图3.20）显示了不同光源在机器视觉中的适用性。较大的区域代表更好的匹配。
光源考虑因素：寿命、老化、漂移寿命工业中使用光源意味着它们被构建在完整的照明装置中。因此，寿命不仅指光源的寿命，还包括所有在恶劣工业环境下合作的电子和热效应部件的寿命。而这通常远不止仅仅在最佳条件下测得的光源寿命。因此，光源的寿命数据与完整照明部件的寿命数据存在差异。
如果我们记住所有寿命数据都是统计值（MTBF-故障间平均时间），我们会感到名义值是一个关于照明装置能够工作多长时间的相当模糊的信息（见表3.6）。
谈论照明的寿命也意味着谈论整个视觉系统的可靠性和可用性。作为视觉系统的核心组成部分和信息传递者，照明在根本上决定了整个机器的功能。为照明部件采取错误的节省措施可能会导致高昂的成本：
(a) 预防性维护，周期性更换寿命短的光源
(b) 机器/系统的意外故障，带来一系列可能的后果。
两者都包括
• 更换部件的成本
• 机器（系统）停机的成本
• 维护的人工成本
• 维修的延迟时间成本，更换零件的交付延迟时间成本（对于b）
在选择照明部件时也应考虑到这一点。
老化和漂移光源的发光是基于具有特定老化行为的化学化合物，其实质结构会随时间发生变化。这种对发光的时间影响称为老化。根据光源的种类，这种老化可能完全不同。了解这种行为对于限制或补偿它至关重要。
几乎所有的图像处理算法都是基于图像中的亮度和对比度，其值相对恒定。老化的光源会改变亮度和对比度。允许的变化值取决于使用的算法。有些算法非常敏感，而其他算法则更加宽容。通过软件工程师的测量、测试或计算，可以提供与软件相关的这些依赖性的信息。
尤其是机器视觉的测量应用需要稳定的照明以获得稳定的图像。这是保持检测精度的不可或缺的条件。
老化通常会因温度而加速。对于大多数光源，长时间以超温运行会缩短寿命和/或亮度。热过程甚至经过的时间都会不可逆地改变辐射材料的化学结构。其结果是光的发射量降低或改变。
对于LED来说，这会影响到亮度的最大值（单色LED）或亮度、颜色分布和色温（白光LED）。尤其是白光LED的转换层在较高温度下容易发生严重老化（见图3.21）。
一个与发光强度相关的LED老化的典型时间进程如下：
其中，
I0 为操作开始时的光强度，
t 为操作时间，
ts为老化常数
（在100,000小时操作后为50%亮度的老化常数为144,270小时）。
为了避免这种情况，照明组件需要进行温度补偿，尽量降低敏感元件的温度（见图3.22）。芯片温度越低，稳定性就越好。精心规划的照明组件在设计时会考虑到这一点。电气和机械热构造确保所有温度敏感元件在关键温度下工作，尤其是光源。在某些情况下，气流可以帮助降低其温升。
LED光源在低温条件下（约60摄氏度以下）工作效果最佳。具体温度取决于基板和LED类型。如果LED发热过多，观察到亮度会每增加一度降低1％。因此，照明的热补偿非常重要，是坚固和耐用的照明组件的一个特点。
避免过热的一种简单方法是仅在相机采集图像时才打开光源。其余时间关闭照明。
在闪光模式下使用LED意味着也要避免老化。在符合最小脉冲占空比（脉冲持续时间：间隔时间）为1:10和最大闪光持续时间小于10微秒（平均值）的情况下，闪烁的LED不会老化超过几百万次的闪光。这种操作模式将LED光源的使用寿命延长到最大限度。
经验法则：
光源亮度的推荐设置为50％。这能够优化寿命并将老化降至最低。
即使在短时间内，光源的强度也会发生变化。这种变化是由于光源/控制电子的升温引起的。根据光源的不同，这种行为完全不同。对于温度辐射体来说，众所周知它们的辐射功率会随着温度的升高而增加。
荧光灯需要在较高的操作温度下工作。这就是为什么在寒冷的环境中它们会提供较低的光输出。另一方面，它们需要一段时间来加热，以达到额定的光强度。之后，随着进一步的加热，它们的强度会下降（参见图3.23）。
