机器视觉光源颜色的选择

石鑫华视觉

        一般情况下，如果使用黑白相机，又对被测物体的颜色选择没有特殊的要求，红色是比较合适的选择。因为红色LED寿命长、稳定、价格低廉，更重要的是红色LED的波长更接近传感器的灵敏度峰值，而通常的CCD对紫色、蓝色的光敏感程度没有红光强。
        如果进行彩色成像，则通常考虑使用白色光源。白色LED光源的制造有几种方法，一种是使用白色LED制造，发光管内部有蓝色发光芯片与受到激发后发出黄色的荧光粉，发出的光按一定比例叠加到一起，看起来形成了白色，这是最为觉常见的形式。这种光源只能通过调节供电电压或电流来改变发光强度、颜色是恒定的。另一种方法是使用红绿蓝三种不同颜色的LED，按某种顺序或方式在光源上进行排列，并分别控制每种颜色的度，使用相对方便。此种方法通常使用四个单色RGGB颗粒进行排列，所以其中的绿色分量通常会比较足。我们通常所见的彩色显示器、彩色电视机、手机屏等显示设备，也是基于RGGB此种方式进行排列的。之所以多加一个绿色的G通量，是因为人眼对绿色光源（波长555nm）最敏感。
        机器视觉应用中注意目标颜色与光源颜色的搭配。我们看到某个物体成某种颜色，是因为其反射了对应的光谱。即如果目标是红色的，如果是白色的光照射或者是红色的光照射，都有红色的光返回，那么在黑白相机中将会是白色的，如果是蓝色的光来拍摄，则没有红色的光可以反射，那么其将会是黑色的。基于这样的理论，我们拍摄物体时，如果要将某种颜色打成白色，那么就得使用与此颜色相同或相似的光源（光的波长一样或接近），而如果要打成黑色，则需要选择与目标颜色波长差较大的光源。

                               
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图1 多色排线在彩色相机下的成像

        彩色图像中，除了黑色、灰色不明显，其它如白色、紫色、蓝色、绿色、黄色、橙色、红色、棕色都很明显，色彩饱满艳丽。

                               
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图2 多色排线在白色光源下的灰度成像

        多色排线在白色光源下的黑白相机大尺度成像，可以发现其中的白色、黄色、绿色、橙色较明亮，说明相机对这些波长比较敏感。

                               
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图3 多色排线在红色光源下的灰度成像

        在红光下成像时，白色、红、橙、黄几种颜色比较明显，其它的颜色都很暗。说明红光照射物体时，物体本身有红色分量时，才能反射红光，在黑白相机下表现为红色特征。

                               
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图4 多色排线在绿色光源下的灰度成像

        而在绿色光源下，则白色、绿色、黄色表现明亮，其它较暗淡。

                               
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图5 多色排线在蓝色光源下的灰度成像

        蓝色光源下，白色、紫色、蓝色等表现较亮，有效反射蓝光。从中也可以发现，白色，无论在什么光照下，都成成明显的白色，是因为其本身不吸收光谱，任何光谱照射到其表面上都会被反射；相反，黑色材料则无论什么光照射上去都不反光成黑色。
        另外，光的衍射中，衍射条纹的宽度与波长是成正比的，如单缝衍射中央明纹的半角宽度为sinθ=λ / a ，λ为波长，a为单缝宽度。而我们拍摄物体时，其表面通常都不是十分光滑，总是会产生衍射，所以，使用红光时，衍射会比使用蓝光时的衍射要强。因此通常用红光能得到更多的表面细节，而使用蓝光，会得到更大的对比度。
        而在镜头的分辨率（能分别最小两点之间的距离）公式δ=0.61λ/NA，λ为波长，NA为数值孔径。从中可以知道，当NA固定时，使用不同波长颜色的光时，镜头的分辨率是不一样的。因此在使用光源时，同一支镜头在蓝色光照下的分辨率通常会高于红色光照条件。