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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