1. 引言
工厂产品以普通金属制品为主，对外观质量要求较高，外观检验在金属制品生产、出厂环节尤为重要。常见的外观检验手段有裸眼目测、放大镜、体式显微镜、工业内窥镜等，而在外观检验过程中，环境光源是影响检验人员判定的最直接因素之一。目前，现行的外观检验厂标Q/Hg 107《产品外观检验规范》中对常规外观的光源照度、色温进行了简单范围规定，缺乏检验现场外观检验光源参数要求，指导性与可操作性不强。本文对外观目视检验环境光源相关参数开展研究，以规范和指导现场检验光源的选型及应用。
2. 目视检验光源与检测
2.1. 目视检验光源
光源按产生方式分为自然光源和人造光源，自然光源通常指日光和月光，人造光源一般有卤素灯、氙灯、荧光灯、LED灯等[1]。在外观检验中，通常选择亮度高、均匀性好、使用寿命长的LED光源，为了能够更好地凸显产品表面真实特征，光源色彩通常为白光[2] [3]，厂内外观检验通常使用光源环境为工作台日光灯或台灯，本文以色温、光照强度可调、使用频率高的台灯作为环境光源开展研究(图1)。
Figure 1. Physical picture of environmental light source
图1. 环境光源实物图
2.2. 光源测试仪器选型
为了能够对不同光照条件光源的参数进行检测，选择虹谱光色有限公司HPCS330型号光谱照度计对光强、光谱、色温等信息进行测试，该型号仪器的实物如图2所示，详细参数见表1。
Figure 2. Physical image of spectral illuminometer
图2. 光谱照度计实物图
Table 1. Lux meter parameters
表1. 照度计参数
类型 |
参数 |
波长范围 |
380 nm~780 nm |
色温范围 |
1000 K~100,000 K |
照度范围 |
10 lx~200 klx |
分光模式 |
紧凑交叉对称CT分光系统 |
波长准确度 |
±1.0 nm |
2.3. 检测对象分类
外观检验中，检验员在接近自然光的条件下进行外观检验，对产品的外观质量进行判断，如颜色是否均匀、有无色差，以及表面是否有瑕疵、划痕、凹坑、多余物等问题。依据尺寸特征可将产品分为大、小类型，依据检验的表面类型可分为内表面和外表面；依据表面处理方式镀镍、阳极氧化等工艺，可分为不同的颜色；依据以上分类，选择定位块、空心销、膜片三类典型产品作为研究对象，如图3所示。
(a) 定位块 (b) 空心销 (c) 膜片
Figure 3. Product type physical image
图3. 产品类型实物图
3. 目视检验光源参数研究
在目视外观检验中环境光源的主要影响因素有打光方向、光源色温、光照强度、目视距离等参数，本文利用单因素优化法对以上参数进行逐一研究验证，选择3名具有高级职称的检验员组建评价小组，对试验结果进行打分评价，分数范围为1~5分，三人总分大于13分即最优参数。
3.1. 打光方向
打光方向是影响目视检验的重要因素，通常情况下，检验员视线与桌面产品呈45˚，常见的打光方向有3种，一类是光线正投射于桌面产品，为垂直打光；另一类是视线与光线对侧，为对向打光；最后一类是光线与视线同侧，为同向打光；如图4所示。
(1) 垂直打光 (2) 对向打光 (3) 同向打光
Figure 4. Schematic diagram of common lighting directions
图4. 常见打光方向示意图
依据以上定义的打光方向类型进行现场试验，采用手电筒进行打光试验，如图5，试验产品选择空心销。
(1) 垂直打光 (2) 对向打光 (3) 同向打光 (4) 同向打光(内腔)
Figure 5. Lighting direction test
图5. 打光方向测试
测试过程中，目视方向45˚，自然状态下手持产品，调节打光方向，评价小组打分结果如表2所示。垂直打光状态下，产品表面光线均匀，存在轻微反光，姿态符合人体常规操作姿势，评价小组给出总分15分；对向打光状态下，目视方向表面为背光面，存在阴影区域，评价小组给出总分8分；同向打光状态下，目视方向表面为迎光面，光线充足，但产品表面反光强烈，评价小组给出总分11分，由评价结果可知，垂直打光最优，同向打光次之、对向打光最差。
Table 2. Evaluation results of lighting direction
表2. 打光方向评价结果
打光方向 |
检验员1 |
检验员2 |
检验员3 |
垂直打光 |
5 |
5 |
5 |
对向打光 |
2 |
3 |
3 |
同向打光 |
3 |
4 |
4 |
因此，对于普通外表面外观检验，垂直打光为最佳打光方向，而对于产品内腔外观检验，普通打光方式光线无法进入产品内腔，因此只能选择同向打光的方式，但依然存在强烈反光；因此需要在同向状态下，略微调整产品角度，以避免高强反光。
3.2. 光源色温
色温是衡量光源颜色的指标，色温值越大，光源越“冷”，直观表现为冷白色；数值越小，光源越“暖”，直观表现为暖黄色；工业照明中，暖白光色温为2000~3200 K、白光色温为4000~5000 K、冷白光色温为5000~6500 K [4]。在实验室、装配车间等场所，一般选择冷白光，冷白光具有高亮度和高色温的特点，有利于精细操作和准确观察细节；在长时间照明场所如车间、大型生产线等一般选择白光，既能提供足够的亮度又不会造成过度疲劳；在会议室、休息室等工作场所，一般选择暖白光，能够营造温馨舒适的氛围[5] [6]。
自然光的色温为5500~6000 K左右(晴天正午)，在接近自然光的条件下进行外观检验，可以让金属表面的颜色显示得比较自然[7]，有助于检验人员直观地判断金属产品的外观质量，如颜色是否均匀、有无色差，以及表面是否有瑕疵、划痕、凹坑等问题。厂标中对色温的规定为4000~5000 K，该参数是依据检验人员相关经验制定，因此在不同色温条件下对外观检验进行综合测试，确定该参数的合理性，规范不同场景下的色温要求。
目前，大部分的外观检验工作在工作台或台灯下开展；分别在6000 K、5500 K、5000 K、4500 K、4000 K、3500 K、3000 K色温条件下进行测试，测试结果如图6，评价小组打分结果如表3所示。
Figure 6. Testing under different color temperature conditions
图6. 不同色温条件下测试
Table 3. Evaluation results of color temperature
表3. 色温评价结果
产品 |
人员 |
6000 K |
5500 K |
5000 K |
4500 K |
4000 K |
3500 K |
3000 K |
定位块 |
检验员1 |
4 |
4 |
5 |
5 |
5 |
3 |
2 |
检验员2 |
4 |
5 |
5 |
5 |
5 |
3 |
2 |
检验员3 |
4 |
4 |
5 |
5 |
5 |
2 |
1 |
续表
空心销 |
检验员1 |
4 |
5 |
5 |
4 |
4 |
3 |
2 |
检验员2 |
5 |
5 |
5 |
5 |
4 |
3 |
3 |
检验员3 |
5 |
5 |
5 |
5 |
4 |
3 |
2 |
膜片 |
检验员1 |
5 |
5 |
4 |
5 |
4 |
3 |
2 |
检验员2 |
5 |
5 |
5 |
4 |
4 |
2 |
1 |
检验员3 |
5 |
5 |
5 |
5 |
4 |
2 |
1 |
当色温在3000 K时，虽然人眼较为舒适，但产品特征不明显，尤其是细微特征和色差，色温在6000 K时，虽然产品外观的细节表现明显，但光线亮白，人眼的耐受力较差，不适合长时间在该环境下工作。通过评价小组打分结果分析，对定位块等大产品的普通外观检验，色温在4000~5000 K范围内得分均大于13分，该范围为最佳；对于空心销小零件的精细外观检验或膜片等带颜色的镀层产品检验，色温在4500~6000 K范围内得分大于13分，该色温范围为最佳色温。
3.3. 光照强度
通过查阅文献，金属工件表面外观缺陷检测的照度建议在500~1000 lx之间，这个照度范围下的亮度比较适宜人眼观察和检测外观缺陷，可以较好地保证检测的准确性[8] [9]。厂标中对光源的照度进行了规定：光源的亮度一般为500~1000 lx，与相关文献相符，但考虑到实际检验工作中工件类型、检验环境、缺陷类型等具体细节，还需对光照强度进行细化。因此，在厂标基本框架下，根据具体的检验方法和检验特征对其光照强度进行细化研究，确定最佳光照强度。
试验过程中选择台灯作为光源环境，在4500 K色温条件下，光照强度为1500 lx、1250 lx、1000 lx、750 lx、500 lx、250 lx下进行测试，测试结果如图7，评价小组打分结果如表4所示。
Figure 7. Testing under different light intensity conditions
图7. 不同光照强度条件下测试
Table 4. Evaluation results of light intensity
表4. 光照强度评价结果
产品 |
人员 |
1500 lx |
1250 lx |
1000 lx |
750 lx |
500 lx |
250 lx |
定位块 |
检验员1 |
4 |
4 |
5 |
5 |
5 |
2 |
检验员2 |
3 |
4 |
5 |
5 |
5 |
3 |
检验员3 |
3 |
4 |
5 |
5 |
5 |
3 |
空心销 |
检验员1 |
5 |
5 |
4 |
4 |
3 |
3 |
检验员2 |
5 |
5 |
5 |
4 |
3 |
3 |
检验员3 |
5 |
5 |
5 |
4 |
2 |
2 |
膜片 |
检验员1 |
5 |
5 |
5 |
3 |
3 |
2 |
检验员2 |
5 |
5 |
4 |
4 |
3 |
2 |
检验员3 |
5 |
5 |
5 |
4 |
3 |
3 |
通过评价小组打分结果分析，对于定位块等普通零件的外观检验，光照强度在500~1000 lx范围内得分均大于13分；对于空心销等小零件的精细外观检验或膜片等带颜色的镀层产品的外观检验，光照强度在1000~1500 lx范围内得分均大于13分。
3.4. 目视距离
通常情况下，人眼的焦距为50 mm左右[10]，也就是目视距离必须大于50 mm，才能聚焦看清楚物体，因此不能小于该距离。而厂标Q/Hg 107中对目视检验距离未给出明确的界定，仅给出了600 mm和800 mm用于区分缺陷轻微、明显、严重等情况的判定距离；通过查阅相关资料，人眼与被检金属工件表面的距离建议在300~600 mm之间，这个距离范围有助于检验人员清晰地观察工件表面的细节和微小缺陷。而在实际工作中，实际目测距离可能需要根据工件的大小、形状、表面粗糙度以及检测人员的视力状况进行调整。例如，对于大型工件或表面较为粗糙的工件，可能需要适当增大目测距离以获得更全面的视野；而对于小型或精细工件，则可能需要缩短距离以更清晰地观察细节。因此依据产品的大小尺寸分类和检验特征，对检验距离进行细化。
在光照强度1000 lx、色温4500 K条件下；在150 mm、300 mm、400 mm、450 mm、600 mm目视距离下进行测试，测试结果如图8，评价小组打分结果如表5所示。
Table 5. Evaluation results of visual distance
表5. 目视距离评价结果
产品 |
人员 |
150 mm |
300 mm |
400 mm |
450 mm |
600 mm |
定位块 |
检验员1 |
4 |
5 |
5 |
5 |
5 |
检验员2 |
4 |
5 |
5 |
5 |
5 |
检验员3 |
5 |
5 |
5 |
5 |
4 |
空心销 |
检验员1 |
5 |
4 |
3 |
3 |
2 |
检验员2 |
5 |
5 |
4 |
4 |
3 |
检验员3 |
5 |
5 |
4 |
3 |
2 |
续表
膜片 |
检验员1 |
5 |
5 |
4 |
2 |
2 |
检验员2 |
5 |
4 |
3 |
2 |
2 |
检验员3 |
5 |
5 |
4 |
3 |
1 |
Figure 8. Testing at different visual distances
图8. 不同目视距离下测试
通过评价结果分析，对于普通零件的外观检验，目视距离在300~600 mm范围内得分满足最优参数条件；对于小零件的精细外观检验或带颜色镀层的产品在150~300 mm的目视距离下进行检验为最优参数，同时产品越小，最佳检验距离相对越近。
4. 结论
本文通过对目视外观检验环境光源打光方向、光源色温、光照强度、目视距离等参数研究，依据产品外观检验特点，利用打分量化的方式给出了最优参数范围；但目视检验通常需要长时间集中注意力，光源条件是造成视觉疲劳的重要因素之一，高亮度、短视距的条件下，短时间内虽然能够在一定程深度上增强检验效果，但易造成视觉疲劳[11]。通过分析确定最佳参数范围，对于普通产品外观检验，光源色温4000~5000 K、光照强度500~1000 lx、目视距离300~600 mm，对于小零件的精细外观检验或带颜色的镀层产品外观检验，光源色温4500~6000 K、光照强度1000~1500 lx、目视距离150~300 mm。
通过对目视外观检验光源参数研究，确定了更加精确的光源参数，对厂标环境光源参数提供了理论支撑，同时增强了现场环境光源使用的指导性与可操作性，为后续检验现场建设规范和指导现场检验光源的选型及应用提供依据。
基金项目
四川航天院级工艺研究项目资助(编号：Y24-0067)。
NOTES
*通讯作者。