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同轴照明
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同轴照明

以下是成像资源指南第 12.2部分

同轴照明是一种独特的照明风格,它将照明整合到机器视觉镜头的光学系统中,通常采取光纤光导或LED光源和分光光学元件的方式。尽管同轴照明不像漫射同轴光照明那么庞大,并且更容易整合到空间有限的系统中,但是,系统设计师还必需考虑一些重要的光学差异。相比漫射同轴光照明,同轴照明的方向性更强,主光束几乎与物方中的光轴平行,这是同轴照明被广泛整合到远心镜头中的原因之一(图1)。相比之下,漫射同轴光照明会以多个不同角度投射光线,显示物体和图像平面上的不同性质。

In-Line Illumination within a Telecentric Lens
图1: 远心镜头同轴照明图解。

将同轴照明与亮场照明进行比较,也会产生截然不同的结果。图2显示了使用亮场照明与同轴照明的镀铬玻璃凸形USAF 1951的对比度目标。

Chrome on Glass USAF 1951 Resolution Target with Bright Field Illumination and In-Line Illumination
图2: 使用亮场照明(图2a)和同轴照明(图2b)的镀铬玻璃USAF 1951的分辨率目标。

这两种照明最直接的差別在于两张图像的对比度完全相反。此外,目标中的缺陷在亮场图像中更加明显,这可能会产生有利或不利的影响,具体取决于应用。有趣的是,目标的高反射性质使同轴照明图像产生比亮场照明图像高出约10%的对比度 - 下文将解释其原因。

何时使用同轴照明

在考虑使用同轴照明时,务必确切了解其适用和不适用的场合。由于照明路径上的光线的性质,同轴照明特别适合用于检测镜面或半镜面物体,如半导体晶片或CCD。使用两个不同的远心镜头(一个使用同轴照明,另一个不使用同轴照明)时,相同CCD的图像会呈现出亮场照明(使用环形灯)和同轴照明之间的差别。图3中显示了图像。

Comparison of Brightfield Illumination with In-line Illumination
图3: 亮场照明(左)和同轴照明(右)的比较。

同轴照明是观察CCD边缘电线的更佳选择,因为电线与CCD其余部分之间的对比度更高、更均匀。如图4所示,图3(使用亮场照明)中的电线看起来更亮,使用同轴照明的图像看起来更暗,这是由照明的光线路径造成的。使用亮场照明时,光线会散射到镜头内;而使用同轴照明时,光线会散射到镜头外。

使用亮场照明时,从环形灯产生的光线会被物体反射到镜头中。反射会根据环形灯中个别光源的角度以及电线自身相对于CCD表面和焊接材料尖端的角度而变化,正因为如此,不同电线长度上的反射的像素值不一致。使用同轴照明时,所有光线都会被物体反射,并散射到镜头外,因此碰触到电线的光都不会反射回镜头中和传感器上。同轴照明背景的对比度更均匀,而且电线的对比度更强,这使其成为观察电线的更好选择(相较于亮场照明)。

亮场照明和同轴照明的比较。
亮场照明 同轴照明
低对比度电线 高对比度电线
面板上的明亮芯片 面板上的暗淡芯片
高对比度图像 照明均匀,且特性间的对比度一致 (红色方框)

如果要观察CCD护罩玻璃上的亮点或裂边,同轴照明也是更具优势的选择,因为整个图像的对比度更加均匀。使用同轴照明显示的暗淡裂边(由图4所示的散射光造成)在杂乱的CCD背景下显示的对比度要比使用亮场照明形成的高对比度图像(如图3所示)高得多。

何时不使用同轴照明

由于同轴照明具备诸多优势,因此通常被认为始终是空间有限的系统的最佳选择。遗憾的是,对于具有光学漫射性或需要大视场的物体来说,它并不是最佳解決方案。在与漫射物体配合使用时,同轴照明会在图像上产生热点,该热点是由物体的朗伯(Lambertian,一个几乎不变的双向反射分布函数)趋势造成的,它对任何检测系统都是有害的。图5显示了使用(右图)和不使用(左图)同轴照明时木制材料漫射物体的图像。

Comparison of Ray Paths Using Brightfield Illumination and In-line Illumination
图4: 使用亮场照明(左)和同轴照明(右)的光线路径的比较。

当朗伯型物体采用同轴照明时,图像在视场中心具有定义明确的热点。此热点可有效冲刷出所需的对比度,为亮场图像产生约70%的对比度,为同轴照明图像产生约8%的对比度,这两个对比度值均取自图像中心。

当然,在一些其他情况下,同轴照明并非理想之选。需要大视场时,照明系统的光学扩展量会成为问题,因为在大视场内展开光通量本身会导致密度低得多的光子束,因此会对整个系统的光通量产生负面影响。不完美的光源还会对具有大视场的同轴照明系统的性能产生显著的负面影响,因为经过物体平面的大投射,小瑕疵会被放大。

内置照明是观察 CCD 边缘电线的更佳选择,因为电线与 CCD 其余部分之间的对比度更高、更均匀。如图 2 所示,图 1(使用明视场照明)中的电线看起来更亮,使用内置照明的图像看起来更暗,这是由照明的光线路径造成的。使用明视场照明时,光线会散射到镜头内;而使用内置照明时,光线会散射到镜头外。

Comparison of Wooden Object with Brightfield Illumination and In-Line Illumination
图5: 使用亮场照明(左)和同轴照明(右)的木制物体的比较。
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