摘要

基礎原理

首先，我們必須簡單的回顧一下光學的基本原理。若有一塊物體，並且讓光線打向這個物體 (入射光)，我們簡化一下各種複雜的物理效應，只舉例以下三種結果，而這三種結果可能單獨發生、也有可能同時發生。

• 全反射: 就像中學曾經學過的幾何光學定律，入射角要等於反射角。這是最容易理解的結果，換句話說，我們只要在反射角的位置拿相機去拍攝，就可以捕捉到這道光線。那麼，什麼情況下容易觀察到這種情形呢，當我們的物體屬於平整、光滑的鏡面時，容易觀察到這個現象，例如拋光金屬的表面。若我們將一片拋光平面金屬放在桌上，光線由左方 30 度角射向金屬，相機若垂直對著桌面上的金屬片拍攝，拍到的影像畫面是近乎全黑的、沒有任何反光的；必須將相機移往金屬右側 30 度角的位置往回拍，才能拍到金屬表面亮起的畫面，因為右側 30 度角才是由左方 30 度角的入射光的全反射反光位置。那麼如果相機非要架設在垂直方向拍攝，要如何拍到桌上的金屬片反光亮起的畫面呢? 請繼續看下去或直接跳到後面 [註 1]。
• 漫反射: 現實生活中大部分的材質都不是近乎光滑的，微觀來看，表面都有一定程度的粗糙，所以前一點全反射的經驗很少發生 (當我們開了燈，拿起相機拍照，很少會特別需要將相機對準某個角度才能拍到東西，而是整個環境都是明亮的，隨意地拍攝)。因為這些材質表面的微結構，使得入射光打向它們，變成了雜散光反射出去；即使可能某個方向反射出去的雜散光會比其他方向要強一點，但幾乎任意角度還是都可以捕捉到這些雜散光，所以眼睛或是相機不管在哪都可以看見物體是亮起的，這就是漫反射。
• 散射: 我們先解釋何謂【透明】兩個字，學理上說如果某個波長的光，可以穿透某個物體，叫做該物體對於該種光是透明的。如果覺得很複雜，簡單來說，關鍵字在於【穿透】兩個字，如果光可以穿透物體，表示這個物體是【透明】的。若入射光垂直於物體射來，我們將相機置於透明物體的正對面，可以拍到入射光穿透過來的光線，當入射光偏離一個角度時，相機反而捕捉不到。但現實生活中沒有完全透明的物體，光在穿透過程中遇到物體的分子或本身的雜質，行進方向會被阻饒，光會反射到其他方向去，形成雜散光，所以我們把相機置於透明物體的正對面，入射光即使與相機有些角度差，相機仍然能捕捉到穿透過來的雜散光。

用範例來說明

環形光，這是 AOI 檢測最常見到的光源形狀之一，光源的照射角度及尺寸會因應不同的架設高度所設計。相同的物體使用環形光來打光，打光角度造成顯著不同的反光結果。

環形光的發光體在環的內側，直接往物體上照明。水平打光的時候，能夠勾勒物體的邊框或刻痕；若將環形光角度提高，邊框勾勒的效果會逐漸下降，而漫反射的效果會增加。

 

正向打光的光源中，常見的還有外同軸 (上圖1,2,4)，以及半球光 (上圖3,4)兩種。

同軸光 (coaxial) 使用透明反射鏡將來自於側面的光源轉向投射到物體上，投射到物體後反射光可由原路徑通過透明反射鏡向上返回鏡頭的一種光源形式；因與鏡頭光路在同一軸線上故稱為【同軸】，若該結構置於鏡頭外側，視為外同軸 (如上圖1,2,4)，若該結構內藏於鏡頭，則稱為內同軸。同軸光是唯一能 100% 涵蓋視野的正向打光型態。如上圖1，由於外同軸本身的發光體採用擴散型光板，故當光源距離物體近的時候，投射於物體上的光線雜散光比例較高，返回鏡頭的光線雜散光比例也較高；如上圖2，提高同軸光與待測物的距離，能減少雜散光，使入射光較趨近於相同的平行方向，此時以待測物的全反射效果較優的區域，返回鏡頭的光線比例較多。上圖 2 左側亮面金屬 (全反射多) 與右側霧面 (全反射少) 的反差對比，比圖 1 來得更明顯。

[註1] 相機垂直於桌面拍攝桌面上的平面金屬，使用同軸光能拍攝到平面金屬整面發光亮起 

半球光 (dome) 顧名思義是半個球體的形狀，球頂開一個孔讓鏡頭可以往內看，球的底部內側有發光體，球的內壁為白色霧面，發光體不直接照向待測物，而是朝球的內壁上打，使得球體內充滿了雜散光。比較上圖 1 (外同軸低) 與上圖 3 (半球)，半球光相對於外同軸至於近距離位置更能有效地提供雜散光的環境，使各種角度都能照射到雜散光，消除各種陰影與角度的反光差異。但由於半球光頂部有一個開孔，沒有100% 涵蓋視野，所以遇到亮面金屬表面的時候，會看到鏡面中缺口的投影 (上圖3)，故也很常與外同軸一併使用，以達到完全沒有死角的柔光環境 (上圖4)。

 

相較於正向打光，在 AOI 檢測有另一種打光方式稱為背向打光，簡稱打背光，即將光源反過來朝鏡頭方向照明，物體擋在鏡頭與光源的中間。
當用於不透明物體時，相機看到的畫面會在物體遮蔽處呈現全黑，而沒被遮蔽到的地方呈現極高亮度，用於凸顯無體的外輪廓，常用於外尺寸的量測應用。
當用於透明或半透明的物體時，相機在物體遮蔽處會因光源波長對物體材質的穿透特性不同、以及物體厚度的不同，呈現明暗差異。

Area 相機進行二維檢測常用的背光形式有兩種，最常見的是擴散型背光板，結構簡單，上面覆蓋一層柔光用的擴散片可發出整面且均勻的光。擴散型背光板用於薄的不透光的工件外尺寸量測沒有多大問題，但用於具有一定的厚度的工件，因為四周都有雜散光，會讓工件的外輪廓陰影較為模糊影響尺寸判讀；若用於透明或半透明的物件內部瑕疵檢測，因為擴散型背光板本身就是雜散光，不易受到物件的結構影響穿透比例較高 (如上圖左)。
拉遠背光與待測物的距離可減少雜散光，增加平行光的比例，因此若用於有厚度的不透明工件量測時，可增加外輪廓陰影清晰度；若用於透明或半透明的內部瑕疵檢測時，平行光遇到工件內部結構或雜質、瑕疵散射到其他方向，使得結構、雜質、瑕疵位置穿透抵達鏡頭的光減少，在影像上呈現明顯陰影 (如上圖右)。因為拉遠背光會大幅增加鏡頭到待測物及背光板的總高度，對設備的尺寸有顯著影響，故有一種設計為將背光板置於側面利用反射鏡轉 90 度的平行式背光板 (如上圖右)。 

結論

您認為哪一張的效果最好? 其實沒有標準答案，如果您的應用是做文字辨識 (OCR) 讀取 6271 這個數字，那麼上圖的左上最佳及右下次之，因為數字最好能與背景分離出來；如果您的應用想要檢測金屬部位有無劃傷，那麼上圖的中上劃傷呈現明顯亮紋，左下劃傷呈現明顯暗紋，劃傷與背景明顯分離出來，效果比其他的要好。

在 AOI 檢測實務案例中，會衡量整體軟硬體研發成本，以及實際運作時影像的一致性。在打光的設計及光源型態的選用上，能將目標特徵與背景明顯分離出來是首選 (如文字辨識使用左上圖)，如若不然則能保持影像均勻一致為次之 (如文字辨識使用右下圖)，使得軟體計算的複雜度降低。

光源的形狀與待測物的形體成高度交互作用，期望打出來的效果又與應用息息相關，因此光型的選用是高度客製化的，才會有這麼多種類的光源供彈性設計，本文主要帶出幾個選型及光學基礎理論上的重點供參考。