光源的介紹

• 前言

光源，不僅僅祇是整合、安裝視覺系統過程中，一開始所需具備的基本要件，更甚的是，正確且適當的運用或擺設實際可行的光源系統，除可大幅度提昇視覺系統，檢測成功率之外，同時，亦節省了開發或系統整合所必須額外付出的軟體，以及硬體的花費。

雖然如此，〝如何選擇正確光源〞，截至目前為止，在大數的應用案例中，其需要或多或少的試驗。但在實際情況下，尤其針對長期致力於視覺系統開發者而言，若能事先估算出，在使用特定攝影機當中，選擇何者光源及其正確擺設位置，以便能後續得到最佳的效果與對比最好的影像品質，進一步做檢測判讀，除了可縮短系統評估時間外，也確保個人或公司在技術與市場上的競爭力。

• 基本原理介紹

光源就狹義的字面上解釋，不外乎涵蓋一般日常生活中，人的眼睛所能〝偵測〞到的範圍，例如太陽光。而眼睛所能觀視且反應最強的太陽光，其波長為560nm。在整個電磁頻譜圖中，我們通常將此段頻譜泛稱〝可見光〞，波長大約從400nm到700nm。

視覺系統中，所使用的CCD 攝影機，亦或所謂光藕合元件，主要構成元件是半導體(Silicon)裝置，其最高反應靈敏度可達950nm。因此，當我們論述視覺系統，所需搭配之光源時，就不再局限於上面所提之可見光(400nm─700nm) ，或單純用燭光(footcandles)、流明(lumem) 、照度(lux) 等基於人的眼睛所定義出來的〝光源〞計量單位，來計算不同於可見光頻譜反應的半導體裝置，實際所需的光源多寡。更精確地計算方式，以便能尋得正確光源系統，同時經由所使用的電子藕合攝影機，得到最佳的取像效果，我們必須深入探討，確實光感知器本身，也就是攝影機內部的影像藕合元件(image sensor)，單位面積所接收到的照度(irradiation)或輝度功率(radiant power)。

〈1〉ED = dØ/dAD                                          Ø = power[w], AD = detector surface area[m2]

由上述之公式所代表之物理意義得知，無論使用何種光源或不同的擺設位置，最後必須確保攝影機端影像藕合元件上，單位面積所吸收之照度，大於某一個固定值，才能經由光電轉換，透過攝影機，輸出Video訊號，一般稱之為攝影機所具備之最低照度。所謂照度(irradiation)，是來自於所選用的光源本身所輻射出來之能量，或稱之為輝度(radiation)

〈2〉Ltλ= d3Ø/dAt dOdλ                    Ø = radiant flux(power)[w],At = trans mitter surface area [m2],O = solid angle [Sr],λ= ware length [m]

公式〈2〉中，陳述任何視覺系統，一旦選定且架設好特定光源，則其單位面積、固定波長及一定的受光角度，所能產生的輝度值，就固定不能改變。但是，藉由一般常見的光源配件，如距光鏡、折射鏡、濾光/偏光鏡，或是光纖導管，可以改變受光角度(Solid angle )或投射面積(transmitter surface area)，進而依照實際所需改變輝度值或照度，不過上述公式明顯告訴你，增加受光角度時，亦同時降低投射面積，反之亦然。

綜合上面所介紹基本原理，在多數情況下，選用視覺系統所需之光源及其配件，大致都可預期得到一定的效果。然而，在某些特殊案例發生時，往往又會碰到令人氣餒的麻煩，例如待測物本身反光嚴重或材質本身會吸收光源或暈光… 。凡此種種，皆會造成視覺系統檢測過程中的誤判與不確定性，終究影響整套系統的穩定性或可靠度。

• 光源指引

底下，我們廣泛性的介紹幾種常見的光源打光技巧，並加以舉例說明，同時亦詳列不同種類的合適光源產品，以供參考或選用。

1〉前光源(Front Illumination)

此種光源，一般使用在我們需要檢測物件的表面特徵的應用上。這是一種最簡單的光源擺設型式，光源與視覺機架設在同一邊，將光源照射在待測物上。典型的擺設是與待測物成45°角的傾斜，直接照射在物體表面上，如此可使待測物表面得到最佳亮度而不會有太多的反射。

1-1 直向型前光源(Directional Front Lighting)

這是一種很容易的打光技巧，可使用一個或搭配使用多個光源直接照射在待測物上。嘗試著使用數個光源，將它們置於待測物與攝影機之間，移動不同距離與角度，看影像亮度的變化，以便調整最佳的擺設位置。某些案例中，待測物體影子所投射的特徵，較之檢測其本身的特徵，效果反而來得好。

應用範例：切割機、點膠機、LCD TAB

NOTE：比較不適合檢測表面高度反射的待測物

1-2 擴散型前光源(Diffuse Front Lighting)

使用擴散光，會使影像的對比降低，但是，一些特徵反面會變得更清楚。同1-1 所述嘗試變換不同的距離與角度，我們可以很容易地比較出直向型前光源與擴散型光源之間亮度對比的不同。

應用範例：球體、R 狀框包裝物、實際基板的焊錫部份

NOTE：這種技巧使用在，當直向型前光源所產生的影像對比太強，而使得檢測物的重要特徵反而無法識別的時候。

1-3 環形前光源(Ring Illumination)

當我們檢測的待測物是圓形時，使用環形前光源是一個不錯的打光技巧，它使光能很均勻的照射在檢測物上，同時，試著改變光源的高度，我們將看到它在改變待測物的清晰度上有很大的效果。

應用範例：PCB 之零件、邊緣、焊錫表面不平滑凸出物

NOTE：此種打光技巧，通常使用在檢測環形的待測物。因其可提供很平均的照明，所以也可用來觀察小的待測物或大型待測物的局部範圍。

1-4 低角度前光源(Oblique Lighting)

若要強調待測物低淺表面的特徵，打低角度的光是一個很實用的技巧，光源與待測物間保持一個小角度的夾角，這樣光源就只有約略的打在待測物上。其結構的特徵會很明亮，而與待測物表面暗的背景產生對比。在光源的角度保持不變的情況下，此種打光技巧，可以很可靠地使待測物呈現出來。

應用範例：IC 文字、Mark/Laser Mark、鑽頭(PCB)

NOTE：這種打光技巧會加強待測物表面的塵埃、小凹痕、螺紋、刮痕等特徵。

1-5 同軸前光源(Coaxial Lighting)

此種照明設備，光源與鏡頭同方向出去，乍看之下，彷彿鏡頭本身是一個光源，使用一個半透鏡以45°角置於攝影機前方，從鏡子的旁邊打擴散光，一半的光線會經由鏡子反射到物體上，另一半則穿過鏡子而消失掉，至於從物體反射回來的光線，一半傳回來穿過鏡子，而在攝影機上成像，另一半則穿過鏡子而消失掉。

應用範例：IC Pattern、LCD 定位、COG、Wafer晶片

NOTE：同軸光可以用很均勻的光線在照明一個孔洞，就算孔洞很深，它也辦得到。若用其它的型式光源可能會在孔洞的底部產生陰影。

2〉背光源(Back Illumiuction)

此種光源主要應用在所需檢測待測物體輪廓的時機上。這是一個裝設簡單且直接了當的打光技巧，將一個擴散光源置於待測物之後方，攝影機可以在前方看到產生的輪廓，此種方式需使光源能通過待測物的前方兩測，所以並不是適用在所有場合。

2-1 直向型背光源(Directional Back Lighting)

打背光，可提供影像很高的對比，且容易按裝。其應用在待測物的輪廓能顯現所需檢測的情況下。待測物是置於攝影機與背光源之間的。適當的擺設與按裝背光源，能使待測物呈現黑與白的強烈背景對比。特別注意的是，不要使攝影機之感測晶片(耦合元件)過度飽和，而使檢測物呈現的輪廓比實際還小。若有必要應縮小光圈或減慢快門速度，以避免過飽和情形發生。另外，可試著改變光源與待測物之間的距離來調整，被背光環繞待測物所形成的遮罩區域。

應用範例：IC 腳距、PCB 孔位、LCD 電極。

NOTE：打背光通常是應用在物體的量測，穿洞的檢驗、計數邊界及計算面積等。

2-2 擴散式背光源(Diffuse Back Lighting)

打直向型背光，無法正常的檢測透明或半透明的物件，擴散式背光的照明設備，正是補足這方面材質檢測上的不足。其方法是將檢測物同形狀的遮罩置於背光源上，使得背光源被遮蔽的範圍比待測物稍微大一些，如此一來待測物會呈現黑暗，其餘部份會顯得光亮。

應用範例：CD 片檢測、透明塑膠物件

NOTE：擴散式背光，對玻璃及透明或半透明的塑膠製品的邊、瑕疵、缺陷或附著在其表面上的小物檢測，可以突顯出效果來。

• 光源產品種類介紹

目前市場上絕大多數的視覺系統所搭配選用的光源種類，大致上可歸納為下列幾種：

—鹵素燈(Halogen)或簡稱〞冷光源〞(Cold Light)，如：FSI 系列光源。

—高週波螢光燈(Fluorescent)如：京都電機所屬LSE-R80/92，LSG – 系列產品。

—LED 燈源，如：京都電機所生產全系列LED 光源。

—金屬燈泡(Metal Halid)或氖燈(Xenon)：如京都電機所有之KFS，Flash Scope。

—雷射光源(Laser)，如：Lasris 公司生產之結構光源。

以上所列幾種常用光源中，在同樣的條件之下(工作距離、受光角度及使用同一設定之CCD)，以或所能產生的輝度(radiance)或CCD 本身所吸收的照度(irradiance)為最高，經常被用於極速的視覺檢測系統中，例如SMT插件機；同樣地，若單就光源本身的設計耐用或抗震性，工作時間(壽命)或耗電量與可控制，而忽略目前LED光源尚屬研發階段，無法提供足夠的亮度，以迎合高速的視覺檢測應用，則LED 光源確實是不錯的選擇之一。對高週波螢光燈光源來說，其優異點除可提供足夠的照明供一般檢測系統使用外，其價位與效能(壽命大約3000hr)，也佔有絕對的優勢，更重要的是針對某些需求高色溫的彩色應用場合，白色高週度螢光燈光源產品，普遍獲得青睞。

在此不是有意不提或甚至貶低鹵素光源(Cold Light)，長久以來在視覺光源系統中，普遍性最高市場佔有率亦獨佔鰲頭的熱門產品，而實際情況是它雖然不完全具備上面所提供各式光源個別具有的最優異特色，卻或多或少集合了大部份的功能，例如高瓦數，可塑性高的導光方式，提供穩定且合理的工作時間，價位亦相當合理而為大多數客戶所接受。更重要的是對多數視覺系統開發業者來說，當面臨需要找尋一套合適且又經濟的光源設備，優先會考慮選用的方法之一，仍然是鹵素光源。

下面圖表所列：幾項重要規格與特色，大概能讓您在未深入比較或採購特定光源設備之前，對各類產品之間的優異，先有初步的了解。