计量失败，很少只是因为相机或算法本身。真正的问题往往出在“场景”没有被正确构建。在尺寸与缺陷检测中，光就是系统处理的“材料”；其他的一切——光学、传感器和算法，只是在记录和解读光。以光为先导的方法颠覆了传统的采购顺序：在选择传感器、镜头或软件之前，先设计能够清晰展现边缘和特征的光线。这样做可以提高重复性，使量具的重复性和再现性（R&R）更加稳定，调试也变得更加直接。
从“传感器优先”到“照明优先”
许多项目中的默认做法是先用相机拍摄，然后让软件处理相机返回的图像。这种方法容易导致阈值敏感、调试周期长，以及在光亮或半透明表面上出现莫名其妙的故障。而“光照优先”的工作流程则从入射角、背光适用性、光谱选择和偏振态入手。只有在实际零件上验证了这些参数后，才能锁定光学元件和曝光参数，然后再调整算法。最终得到的场景能够呈现清晰、一致的对比度——这是计量学的基本要素。
光如何悄然影响测量数值
照明决定对比度；对比度决定“看到”的边缘；边缘决定测量结果。微小的照明缺陷，就会变成尺寸偏差：
- 光晕和光斑柔化了边缘过渡，并改变了亚像素拟合效果。
- 阴影和遮挡会直接掩盖几何特征。
- 偏振效应会使镜面材料的表面反射率随方向而变化，因此随着部件旋转，阈值也会发生变化。
- 时间不稳定（闪烁、预热漂移、PWM 纹波）引入时间噪声，损害重复性。
- 空间不均匀性会影响局部阈值并扭曲几何形状。
这些都不是软件问题，而是“光子问题”。把光修好，很多“算法难题”自然消失。
为什么光亮和半透明部件会“表现异常”
镜面金属和光亮塑料会反射光源，导致边缘出现大量热点。半透明介质会在部件内部散射光线，在光线到达传感器之前就模糊了边界。应对措施包括几何和偏振方法：使用暗场激发斜面并抑制镜面反射；使用交叉偏振的同轴照明来降低抛光面上的眩光；选择窄带光谱来稳定材料的响应。百万像素无法恢复表面原本不存在的对比度。
照明中真正重要的要素
可控的“旋钮”并不复杂，但对 GR&R 影响巨大：
- 几何形状：首先确定特征的观察方式，即轮廓观察（背光）、掠射斜面激活观察（暗场）还是正面明场/同轴观察。几何形状是边缘完整性的主要控制因素。
- 光谱： 稳定的窄带光源（例如 525 nm 或 660 nm）可减少偏色变化，并有助于油墨、涂料和激光标记与基材分离。当可见光对比度较弱时，红外/紫外光可能有所帮助。
- 强度和动态余量： 调整零件处的辐照度，使边缘陡峭但远未达到饱和。保持动态范围，避免细微的表面光洁度变化导致图像裁剪。
- 偏振： 交叉偏振（正交光源和分析器）消除镜面反射分量，同时保持漫反射细节完整，通常可以挽救拉丝钢、薄膜和半光泽包装上的特征。
- 均匀性和时间稳定性： 确定目标区域内的非均匀性百分比，然后进行验证。监测闪烁和预热漂移；两者都是短期重复性的潜在破坏者。
降低项目风险的实用流程
- 界定问题：明确特征、最小可分辨变化、表面状态与公差。小于100 μm 的微特征、异构纹理和混合表面需额外谨慎。
- 选择候选几何：OD/ID 与槽用背光；倒角、毛刺、划伤用暗场；抛光平面标记用亮场/同轴。
- 确定光谱与偏振：按材料选波段，易眩光场景加交叉偏振。
- 实物 A/B 测试：在真实零件上比较边缘斜率、质心稳定性与误判率（跨批次、班次、供应商）。
- 锁定光学与曝光：照明验证后再选远心/常规镜头，固定光圈、曝光、HDR、增益与黑电平。
- 文档化与 FMEA：记录夹具、驱动、调光曲线、扩散片与偏振状态，定义照明漂移的度量与巡检方法。
验证与长期维护
如果您正在协调第三方检验或供应商审核，合作伙伴可以帮助您在零件进入生产线之前记录批次间的差异。将光源视为一个经过校准的子系统。使用平场目标（用于测量空间均匀性）和短时间序列（用于量化强度漂移和闪烁）建立基线。保留少量参考图像和经过认证的边缘工件，以验证端到端系统性能。轻量级的维护节奏效果良好：每日快速检查投资回报率 (ROI) 并与基线进行比较，每周进行均匀性漂移快照，每季度进行重新验证，或在夹具、驱动器或上游表面处理发生任何变化时进行重新验证。
实用工具包括：乳白或积分片（均匀性）、反射率标准（强度锚定）、闪烁计或固定曝光脚本（PWM 纹波）、偏振靶（源/检偏器对准）。
简明技术语言
环形和条形光源可提供可调节的定向光，并可倾斜以平衡眩光和对比度。球形光源提供漫射、多反射光场，可抑制曲面塑料上的镜面反射。同轴照明沿光轴注入光线，与远心光学元件完美配合，适用于平面抛光零件和激光蚀刻代码。当轮廓可行时，背光仍然是立体加工的黄金标准。激光三角测量和共焦传感器的成败取决于回光斑的质量和偏振，而结构光扫描仪则需要投射条纹，这些条纹能够主导环境光并与材料的双向反射分布函数 (BRDF) 相匹配。
成本与取舍，不再神秘
先照明后设计虽然前期投入成本不高——包括开发套件、生产夹具、高性能驱动器、校准工具以及一些工程时间——但通常能很快收回成本，减少次品率，缩短调试时间。一旦确定了灯罩或背光，机械结构的限制就会缩小，而且LED会老化，因此重新认证必不可少。当油墨或涂料发生变化时，可能会出现光谱不匹配；如果记录配方，这是一个已知且可控的风险。
快速决策指南
如果可以拍摄轮廓，请使用背光来显示外形尺寸、孔和槽。如果任务是拍摄光亮的倒角，或者需要查看划痕和工具痕迹，请先使用暗场成像。对于带有雕刻或激光标记的平面抛光板，请先使用同轴光加交叉偏振光。半光泽塑料上的印刷代码在明场加交叉偏振光下效果很好。拉丝金属表面热点过多？可将斜光条与交叉偏振光结合使用。透明薄膜通常需要暗场成像或透射光加偏振光。对于小于 50 µm 的特征，可将远心光学元件与背光或大角度暗场成像结合使用。圆柱形光亮部件适合使用轴向光与暗场成像混合。移动传送带需要使用频闪 LED 和短曝光。当一个视图包含多种表面处理时，使用带有定向暗场附加组件的漫射罩可以保持阈值稳定。无论从哪个角度开始，在最终确定设计之前，都应进行快速的 A/B 对比验证。
值得养成的习惯
光线是决定传感器可感知范围的唯一变量。如果先考虑光线，就能确保边界清晰、阈值稳定，并减少不确定性。一旦团队养成“光线优先”的习惯，他们未来的项目就会更加顺利：更少的疑点、更快的收敛速度，以及更贴近几何形状而非眩光的计算结果。
结论
只要养成“先照明后测量”的习惯，你的测量主体-谓词-客体关系就能成立：照明质量决定边缘对比度，而边缘对比度决定计量精度。先锁定光源，后续所有步骤都会变得更轻松、更快捷、更可重复。
作者：Habib Rkha（QCADVISOR 创始人）
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