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同軸照明是一種照明風格

時間:2025-07-11      點擊次數:33
          同軸照明是一種照明風格,它將照明整合到機器視覺鏡頭的光學系統中,通常采取光纖光導或LED光源和分光光學元件的方式。盡管同軸照明不像漫射同軸光照明那么龐大,并且更容易整合到空間有限的系統中,但是,系統設計師還必需考慮一些重要的光學差異。相比漫射同軸光照明,同軸照明的方向性更強,主光束幾乎與物方中的光軸平行,這是同軸照明被廣泛整合到遠心鏡頭中的原因之一(圖1)。相比之下,漫射同軸光照明會以多個不同角度投射光線,顯示物體和圖像平面上的不同性質。

同軸照明

圖1: 遠心鏡頭同軸照明圖解。

將同軸照明與亮場照明進行比較,也會產生截然不同的結果。圖2顯示了使用亮場照明與同軸照明的鍍鉻玻璃凸形USAF 1951的對比度目標。

同軸照明

圖2: 使用亮場照明(圖2a)和同軸照明(圖2b)的鍍鉻玻璃USAF 1951的分辨率目標。

這兩種照明最直接的差別在于兩張圖像的對比度全相反。此外,目標中的缺陷在亮場圖像中更加明顯,這可能會產生有利或不利的影響,具體取決于應用。有趣的是,目標的高反射性質使同軸照明圖像產生比亮場照明圖像高出約10%的對比度 - 下文將解釋其原因。

何時使用同軸照明

在考慮使用同軸照明時,務必確切了解其適用和不適用的場合。由于照明路徑上的光線的性質,同軸照明特別適合用于檢測鏡面或半鏡面物體,如半導體晶片或CCD。使用兩個不同的遠心鏡頭(一個使用同軸照明,另一個不使用同軸照明)時,相同CCD的圖像會呈現出亮場照明(使用環形燈)和同軸照明之間的差別。圖3中顯示了圖像。

同軸照明

圖3: 亮場照明(左)和同軸照明(右)的比較。 

同軸照明是觀察CCD邊緣電線的更佳選擇,因為電線與CCD其余部分之間的對比度更高、更均勻。如圖4所示,圖3(使用亮場照明)中的電線看起來更亮,使用同軸照明的圖像看起來更暗,這是由照明的光線路徑造成的。使用亮場照明時,光線會散射到鏡頭內;而使用同軸照明時,光線會散射到鏡頭外。

使用亮場照明時,從環形燈產生的光線會被物體反射到鏡頭中。反射會根據環形燈中個別光源的角度以及電線自身相對于CCD表面和焊接材料的角度而變化,正因為如此,不同電線長度上的反射的像素值不一致。使用同軸照明時,所有光線都會被物體反射,并散射到鏡頭外,因此碰觸到電線的光都不會反射回鏡頭中和傳感器上。同軸照明背景的對比度更均勻,而且電線的對比度更強,這使其成為觀察電線的更好選擇(相較于亮場照明)。

同軸照明

 

如果要觀察CCD護罩玻璃上的亮點或裂邊,同軸照明也是更具優勢的選擇,因為整個圖像的對比度更加均勻。使用同軸照明顯示的暗淡裂邊(由圖4所示的散射光造成)在雜亂的CCD背景下顯示的對比度要比使用亮場照明形成的高對比度圖像(如圖3所示)高得多。

何時不使用同軸照明

由于同軸照明具備諸多優勢,因此通常被認為始終是空間有限的系統的選擇。遺憾的是,對于具有光學漫射性或需要大視場的物體來說,它并不是最佳解決方案。在與漫射物體配合使用時,同軸照明會在圖像上產生熱點,該熱點是由物體的朗伯(Lambertian,一個幾乎不變的雙向反射分布函數)趨勢造成的,它對任何檢測系統都是有害的。圖5顯示了使用(右圖)和不使用(左圖)同軸照明時木制材料漫射物體的圖像。

圖片
                 圖4: 使用亮場照明(左)和同軸照明(右)的光線路徑的比較。

當朗伯型物體采用同軸照明時,圖像在視場中心具有定義明確的熱點。此熱點可有效沖刷出所需的對比度,為亮場圖像產生約70%的對比度,為同軸照明圖像產生約8%的對比度,這兩個對比度值均取自圖像中心。

當然,在一些其他情況下,同軸照明并非理想之選。需要大視場時,照明系統的光學擴展量會成為問題,因為在大視場內展開光通量本身會導致密度低得多的光子束,因此會對整個系統的光通量產生負面影響。光源還會對具有大視場的同軸照明系統的性能產生顯著的負面影響,因為經過物體平面的大投射,小瑕疵會被放大。

內置照明是觀察 CCD 邊緣電線的更佳選擇,因為電線與 CCD 其余部分之間的對比度更高、更均勻。如圖 2 所示,圖 1(使用明視場照明)中的電線看起來更亮,使用內置照明的圖像看起來更暗,這是由照明的光線路徑造成的。使用明視場照明時,光線會散射到鏡頭內;而使用內置照明時,光線會散射到鏡頭外。

同軸照明

                           圖5: 使用亮場照明(左)和同軸照明(右)的木制物體的比較。

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