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技术趋势
Technology Trends

同轴照明

利用同轴亮场照明改善 3D 测量

文/ Timo Eckhard

对于获取计算 3D 数据所需要的高质量图像，选择正
确的照明至关重要。这种应用场景通常使用定向同轴亮场
照明或管灯照明。本文使用广泛的样品，比较了这两种照 Camera Camera
明方法在彩色图像质量和高度图方面的差异。 Illumination Illumination
Illumination
很显然，对于表现出相当数量的次表面散射的材料， Illumination
同轴照明方案有利于 3D 测量。在实际应用中，应当记住，
Beamsplitter
Beamsplitter
在光路中引入分束器将会导致相机系统的工作距离发生偏
移，并且图像质量也会略有下降。
光源发出的光从平面样品直接反射到相机中的照明 Sample Sample Sample Sample
图1：管灯照明（左）和同轴亮场照明（右）示意图。
方案，称为亮场照明。使用线扫描相机，有两种可能的方
式来实现这样的设置：第一种方法是通过倾斜相机和光源， 响成像和3D计算质量。接下来，本文将仔细研究这些因素，
使得照明角度与表面法线的角度相同，但方向相反 ；第二 并为机械系统设计提供一些指导，以说明产生的效果。但
种方法是通过分束器实现。我们并不推荐第一种方法，因 首先，我们将讨论亮场照明对样本选择的影响，并说明何
为它可以导致遮挡和梯形效应。 时应该使用这种照明。
图 1 中分别给出了使用分束器的同轴亮场照明装置和
管灯照明装置的原理图。对于很多应用而言，管灯是很不 亮场照明与管灯照明
错的照明选择。它能减少镜面反射的强度，并能均匀地照 为了用不同的样品捕获这两种照明方法之间的差异，
亮弯曲、光滑的材料。因此，管灯是许多应用的首选，只 我们使用了 Chromasens CORONA II 用于管灯照明 ；对于
有少数材料需要使用同轴亮场照明。 亮场照明，使用带有扩散镜的 CORONA II 顶部光源，并
需要同轴亮场照明的一个材料案例是 ：表现出较强的 配合由肖特公司的 1.1mm Borofloat 玻璃制成的分束器一
次表面散射的材料，这意味着光束能在一定方向上部分穿 起使用。
透材料，并被多次散射，导致光束离开材料时可能在不同 图 2 显示了由石蜡制成的蜡烛的扫描图像，石蜡是
的位置，并具有不同的方向，通常为半透明材料。这种材 一种具有较强次表面散射的材料。使用同轴照明（右图），
料有大理石、皮肤、石蜡或一些塑料。 表面纹理清晰可见，高度图像显示蜡烛略微弯曲的形状。
使用管灯照明这样的材料，导致非常均匀的外观，纹 相比之下，管灯照明（左图）所显示的纹理非常少。
理小，这对于 3D 重建而言是有问题的。相比于管灯照明， 而且，对于大多数高度区域（黑色假彩色区域），高度信
采用同轴亮场照明，从材料表面到相机将会产生相对更直 息无法恢复。蜡烛的纹理只有在同轴照明下才可见，这是
接的反射。第一表面反射有助于图像纹理，从而相对减少 因为在这种情况下，从表面反射的光在最终图像中比次表
进入相机的次表面散射光。 面散射光更占主导地位。
当同轴照明与 3D 相机一起使用时，必须考虑一些特 然而，反射光和散射光之间的比例，随着表面倾斜的
定的属性。为了这个测试的目的，我们使用了 Chromasens 不同而变化。表面法线越偏离相机的观察角度，直接从第

公司的一台 3DPIXA 立体相机。首先，只有最大 25% 的 一表面反射的光越少。因此，图像中的纹理变得更低。对
光强度可以到达相机 ；第二，玻璃是有源光学元件，其影 于蜡烛样品，超过 15°的倾斜将导致高度信息无法恢复。

24 May/Jun 2018 视觉系统设计 Vision Systems Design China