產品的外觀缺陷直接影響著產品的質量問題，而在檢測時，由于產品缺陷種類繁多且干擾因素眾多，導致產品的外觀缺陷檢測一直是機器視覺檢測中的難點。

外觀缺陷檢測的難點

外觀缺陷檢測的難點主要來自于產品本身以及檢測儀器的選擇，主要有以下幾大類：

1）產品的多樣性，經常使外觀檢測陷入困境；

2）產品的外觀缺陷除了常見的劃痕、雜質、裂紋等，還有易與背景融于一體的透明膠水輪廓檢測；

3）反光物體通常會使圖像呈現大面積白斑，無法提取缺陷特征；

4）圓弧面缺陷，受弧面的影響導致視野不能做大，如用明視野法，則成像光斑非常小；用暗視野成像則對于缺陷方向有局限性；

5）部分產品表面由于材質原因，灰塵、雜質與劃痕難以區分檢測；

6）空心圓柱體內壁曲面的缺陷檢測，經常由于景深不足且鏡頭視角受限，無法得到理想的圖像。

除了缺陷檢測本身固有的難點之外，在機器視覺檢測系統中，光源的選擇和使用也是能否精確檢出缺陷的一個關鍵環節。光源、相機、鏡頭的選取與搭配，是技術人員面對的一大考驗。在選擇光源時，通常需要如下考慮：

1）針對不同的檢測要求，光源可使用常亮模式，也可進行多工位頻閃拍照；

2）根據外觀缺陷的形狀或材質特性，可選擇明場或暗場照明，同時光源角度也可按需調整；

3）根據視野與精度要求，除了選擇不同的相機與鏡頭組合外，光源的工作距離也尤為重要。

針對不同類型的外觀缺陷檢測光源方案

不同的外觀缺陷有著不同的特征，要想達到一個好的檢測效果，需要對各種光源的原理及應用熟稔于心。選擇合適的光源才能更高效地面對不同缺陷的需求。以下為針對不同外觀缺陷樣品的常用打光方案。

1）針對反光且外形不規則的物體，可使用多角度多光譜光源。多光譜光源從多角度照射，可使物體表面不規則的區域展現出不同的成像特性；而反光面與粗糙面對光的散射效果不同，則可在圖片上投射出不同的灰度信息。通過計算顏色分布和圖像陰影變化，可準確突出物體表面的層次信息，方便后期抓取圖像特征。

2）針對大面積大視野的樣品檢測，條形光源和背光源是首選光源。大尺寸背光源，通過LED的高密度排列，提供高均勻性與高亮度的照明效果，能突出物體的外形輪廓等特征。而條光的指向性強且光線均勻，通過調整角度或者多個條光組合可檢測較大面積的外觀缺陷。

3）針對磨砂材質的表面缺陷，可使用指向性好的光源。指向性好的光源可以突出材料表面的顆粒感；相比之下，漫射光源則會使外觀缺陷的成像圖沒有對比度。

4）針對部分需要分多次拍照且有速度要求的樣品，需使用高亮光源。多工位多次拍攝成像的外觀檢測，需使用頻閃拍照系統，且光源體積要小，重量要輕。

不同類型的光源對外觀缺陷檢測的影響

專注于生產機器視覺光源的沃德普自動化公司(wordop)，推出了多款針對缺陷檢測的光源解決方案。

1）交叉線形光源

圖1：交叉線形光源

傳統線形光源，多應用于高速大幅面樣品的識別、定位、缺陷檢測及尺寸測量等檢測項。在劃痕類的缺陷檢測中，如果使用傳統的線形光源，只能檢測出“橫向缺陷”，而“縱向缺陷”則難以被發現。為了讓“縱向缺陷”也無處遁逃，沃德普推出了交叉線形光源。它利用特殊的光學設計，使兩側的光線呈一定角度匯集到光源中間位置，凸顯縱向缺陷，通過降低背景亮度來提升缺陷的對比度。圖2為交叉線形光源的照明光斑與工作距離關系的示意圖。

圖2：交叉線形光源照明光斑與工作距離關系的示意圖

光源（推薦）工作距離為50~150mm。表1為交叉線形光源的推薦工作距離、理論有效范圍與實際有效范圍的關系圖。

表1：距離關系

手機等移動電子產品的玻璃蓋板的表面缺陷檢測，是當下機器視覺的熱點應用，也是難點應用之一。針對玻璃蓋板表面的劃痕，分別使用普通線形光源和交叉線形光源對其進行檢測（光源架設方向與運動方向垂直），檢測結果對比如圖3所示。

（a) 普通線光檢測“橫向劃痕” （b) 普通線光檢測“縱向劃痕” （c) 交叉線光檢測“縱向劃痕”

圖3：玻璃蓋板上的劃痕檢測

玻璃蓋板上的劃痕檢測結果如圖3所示，從圖3（a)、（b）、（c)分別是普通線光檢測“橫向劃痕”、普通線光檢測“縱向劃痕”、交叉線光檢測“縱向劃痕”。從圖中可以看出，使用普通線光源檢測“橫向劃痕”時缺陷可見，使用普通線光源檢測“縱向劃痕”時缺陷不可見，使用交叉線光源檢測“縱向劃痕”時缺陷可見。因此，在實際檢測過程中，將普通線光源和交叉線光源配合使用，可以很好地檢出玻璃蓋板上的橫豎劃痕。這種方法可用于檢測玻璃蓋板、薄膜、金屬面等產品上的劃痕和條紋等缺陷。

2）平面無影光源

圖4：平面無影光源

平面無影光源能提供高均勻度的漫射照明，可以消除產品表面不平整形成的干擾，成像效果與“圓頂+同軸光源組合”類似，且相比于組合光源而言，更節省空間。圖5為兩組光源的成像原理圖，左側為平面無影光源，右側為“圓頂+同軸”的組合光源。

圖5：成像原理圖

在檢測表面不平整的物體時，如塑料等材質柔軟的包裝袋表面，推薦使用平面無影光源。圖6為手機拍攝的食品包裝袋樣品，圖7的（a)、（b）、（c）分別為同軸光源、圓頂光源、平面無影光源對食品包裝袋上的字符的檢測效果對比。

圖6：手機拍攝的食品包裝袋樣品

（a）同軸光源 （b）圓頂光源 （c）平面無影光源

圖7：不同光源的成像效果圖

如圖7所示，使用同軸光源時，光線明暗不均勻，無法檢測不平整物品（a）；使用圓頂光源照明存在陰影，也無法檢測不平整物品（b）；使用平面無影光源，打光均勻，成像清晰且包裝袋上的字體清晰可見，適用于檢測不平整物品表面（c）。從圖7中不難看出，使用同軸光源時成像效果最差，而使用平面無影光源的成像效果最好。除此之外，平面無影光源還適用于弧面產品字符檢測、圓柱體表面檢測以及電子元器件字符檢測等應用領域。

3）平面條紋光源

圖8：平面條紋光源

平面條紋光源使用平面條紋式照明，通過反射的光線相互干涉而形成明暗相間的干涉直條紋，當檢測物體表面有凹凸不平時，由于光程變化使得部分直條紋產生形變，以此來檢測元件表面的凹凸點及細小缺陷問題。平面條紋光源可很好的彌補同軸光源難以檢測的凹凸點及細小缺陷不明顯的短板，適用于反光物體、膜材、五金件、玻璃上的凹凸點及細小缺陷的檢測。圖9為平面條紋光源成像原理圖。

圖9：平面條紋光源成像原理圖

在實際應用中，平面條紋光源以其獨特的發光原理，有著無可替代的成像優勢。以下為兩組經典案例。

案例1：玻璃蓋板劃痕檢測。圖10為平面條紋光源和同軸光源的成像效果對比。（a）為平面條紋光源檢“劃痕”的效果，可以看到玻璃蓋板表面劃痕清晰可見。b)為同軸光源檢“劃痕”，可以看到玻璃蓋板表面整體被均勻照射，但劃痕不可見。

（a）平面條紋光源檢“劃痕”的效果 （b）同軸光源檢“劃痕”

圖10：成像效果對比

案例2：偏光膜表面變形與凹凸點檢測。圖11為平面條紋光源的成像圖。（a）為平面條紋光源檢膜材“變形”的效果，（b）為平面條紋光源檢“凹凸點”的效果，可以看到檢測圖片中有缺陷的地方條紋明顯形變，不再呈現出平行的特征。

（a）平面條紋光源檢膜材“變形”的效果 （b）平面條紋光源檢“凹凸點”的效果

圖11：成像效果圖

總結

從上述案例中可以得知，只有根據產品的檢測需求以及產品的自身特性來選擇合適的光源，才能得到好的光學方案。隨著光源的種類不斷增多，在保證成像質量的同時也朝著節省空間與成本的方向發展，同時很多檢測上的疑難點得到了解決與改善。在機器視覺檢測系統中，正確選用適合的光源，不僅可以有效提升成像對比度、保證圖像均勻性，同時還可降低算法難度，大幅提升了檢測效率，使得檢測化繁為簡，更具性價比。