3-1-1         光源的颜色

光源的颜色包含了两方面的含义，即色表和显色性。用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。例如高压钠灯的色表呈黄色、荧光灯的色表呈白色等等。当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性称为该光源的显色性。国际照明委员会（CIE）规定了14种特殊物体作为检验光源显色性的试验色。

3-1   自然光源

太阳是最重要的自然光源，人的视野活动主要是在太阳的照明下进行的。在地球上看到的太阳是一个发光的圆盘，在地球与太阳的距离为平均距离时，太阳在大气层外和辐射方向垂直的表面形成的辐照度值Eesun=1390W/m2；在天空比较晴朗同时太阳位于天顶的情况下，太阳在海平面形成的光照度约为Eesun=1.24*100000lm/ m2。由于地球和太阳之间的距离的变化引起的由太阳形成的辐射照度和光照度的变化不超过+3.5%。天空同样也是一个重要的自然光源，天空光中的绝大部分时地球大气对太阳光的散射形成的。下表给出了白天和夜间各种条件下自然光源在地面形成的照度的近似值。

自然光源在地球表面形成的光照度

3-2   人工光源

为了创造良好而稳定的观察和测量条件，到目前为止人类制造了多种人工光源，如钨灯、卤素灯、LED灯、激光器灯。这里我们将介绍机器视觉应用最多的钨丝灯、卤钨灯、LED光源以及激光器。

3-3-1   钨丝灯和卤钨灯

早在18世纪伏特就发现了电流发热和发光现象，19世纪60年代俄罗斯的谢尔盖耶夫制成了卷曲铂丝灯，后来经过改进形成了今天的钨丝灯。钨丝灯在电流作用下维持钨丝的温度而发生辐射，属于热辐射体。

卤钨灯是一种改进的钨丝灯，由于钨丝在高温下的蒸发使灯泡变黑将使钨丝灯的发光效率降低，为了避免降低发光效率，在其中充入碘或者溴等卤素。最长使用的卤钨灯是碘灯或溴灯。

3-3-2   发光二极管（LED）光源

发光二极管光源具有体积小、重量轻、便于集成、工作电压低、耗电少、驱动简单、便于机器控制、单色性好、发光亮度高、发光效率高以及亮度便于调整等优点，因此在机器视觉中使用最为普遍。

（1）       发光机理

P-N结处于平衡时存在一定的势垒区，当加正偏压时P-N结区势垒降低，从扩散区注入的大量非平衡载流子不断复合发光，并主要发生在P区。P-N结发光器件由GaAs发光二极管发射红外光，GaP发光二极管发射红光等。

（2）       光强特性

发光二极管在P-N结通以正向电流时，因注入载流子主要在P区复合发光，发光强度Iv于电流I成正比，发光强度于电压的关系为指数关系，数学表达式如下：

Iv=Ivo*exp(qU/kT)

（3）       发光效率

发光二极管发射的光通量与输入电能之比表示发光效率，单位为lm/W，同时光强度与注入电流之比也可以定义为发光效率，单位为cd/A（坎/安）。GaAs红外发光二极管的发光效率由射出辐射功率与输入电功率的百分比表示。

发光二极管的响应时间快，短于1us比人眼响应快的多，但作为光信号传递时响应时间又太长。发光二极管的响应时间取决于注入载流子非发光复合的寿命和发光能级上跃迁的几率。通常发光二极管的外部发光效率均随温度上升而下降。在低电流下，发光二极管发光效率随电流的增加而明显增加，但电流增加到一定程度时，发光效率不再增加，且随着工作电流的继续增加而下降。

3-3-3   激光光源

与其它光源相比，激光具有单色性好、方向性强、光亮度极高的优点。在诸多种类的激光器中，氦氖气体激光器和半导体激光器再机器视觉精密检查、光信息处理、全息摄影、大地测量等方面有着广泛的应用。下面我们对氦氖气体激光器和半导体激光器做具体介绍。

（1）       氦-氖气体激光器

氦氖气体激光器由放电管、共振腔、激光电源三部分组成。

放电管包括放电毛细管、氖气管和电极三部分。放电毛细管是发生气体放电和产生激光的区域，管内径约1.2~1.3mm。氖气管与放电毛细管同轴并相通，氖气管相当于放大了放电毛细管对气体的储藏体积，可缓冲因氦气跑的快而造成的氦氖气压比失调，并且对漏入的杂质气体又稀释的作用。此外因毛细管很容易发生变形，因而配置氖气管可以起到加固共振腔的作用。电极又阳极和冷阴极。因为特种材料应具有良好的发射电子的能力和抗溅射能力，容易加工，因而冷阴极常用镍、铅等制成，阳极采用钨，以减少对地的电容量，降低出现张弛震荡几率，使输出稳定。

氦氖气体激光器具有连续输出激光的能力。输出激光功率不高，只有几个豪瓦。激光波长为0.6328um，波长的稳定性高达10的-10次方。氦氖激光器的光束相干性和方向性都很强，对0.6328um的谱线，相干长度可达几十公里以上，光束发散角为 1mrad。当氦氖激光器的发光效率下降到原来的1/e的时间称为寿命，与玻璃外壳、真空元件、工作气体的吸附、吸收和渗透以及反射镜等等诸多因素都有关系。

（2）       半导体（LD）激光器

半导体激光器的工作物质是半导体材料，它的工作原理与发光二极管类似，它由于体积小、重量轻、效率高、寿命长等诸多优点而得到广泛应用。