圖1：相機(jī)
盡管同軸明場(chǎng)照明在3D測(cè)量應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)，但重要的是要考慮工作距離和圖像質(zhì)量之間的權(quán)衡。選擇正確的照明對(duì)于獲取計(jì)算3D數(shù)據(jù)所需的高質(zhì)量圖像至關(guān)重要。這通常是通過(guò)定向同軸明亮場(chǎng)照明或日光燈完成的。本文使用各種樣本，根據(jù)彩色圖像質(zhì)量和高度圖比較了這兩種照明方法?？梢宰C明，對(duì)于表現(xiàn)出大量次表面散射的材料，同軸照明幾何形狀有利于3D測(cè)量。在實(shí)踐中，應(yīng)記住，在光路中引入分束器會(huì)導(dǎo)致相機(jī)系統(tǒng)的工作距離發(fā)生偏移，并且圖像質(zhì)量會(huì)稍有下降。?

圖2：管燈照明（左）和同軸明場(chǎng)照明（右）的示意圖。

將源光線從平面樣本直接反射到相機(jī)中的照明方案稱為明場(chǎng)。對(duì)于線掃描相機(jī)，有兩種可能的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這種設(shè)置：通過(guò)傾斜相機(jī)和光源，使相對(duì)于表面法線的角度相同但方向相反，或者使用分束器。不建議使用第一種方法，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致遮擋和梯形失真效果。圖1顯示了使用分束器的同軸明亮場(chǎng)照明設(shè)置的原理，而不是使用日光燈的設(shè)置。筒燈是廣泛應(yīng)用的最佳照明選擇。它降低了鏡面反射的強(qiáng)度，并均勻地照亮了彎曲的光澤材料。因此，對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，筒燈是一個(gè)普遍的首選，只有某些材料需要使用同軸明亮場(chǎng)照明。一個(gè)例子是表現(xiàn)出強(qiáng)烈的次表面散射的材料，這意味著光束在特定方向上部分穿透材料并被散射多次，導(dǎo)致光束以可能不同的方向從不同的位置出射。結(jié)果是透明的物質(zhì)外觀。這樣的材料的例子是大理石，皮膚，蠟或某些塑料。在此類材料上使用日光燈會(huì)產(chǎn)生非常均勻的外觀，幾乎沒(méi)有紋理，這對(duì)于3D重建來(lái)說(shuō)是有問(wèn)題的。與管狀光照明相比，使用同軸明亮場(chǎng)照明會(huì)導(dǎo)致從表面到攝像機(jī)的反射更直接。這種第一表面反射有助于圖像紋理。因此，減少了進(jìn)入照相機(jī)的次表面散射光的相對(duì)量。將同軸設(shè)置與3D相機(jī)一起使用時(shí)，必須考慮一些特定的屬性。為了進(jìn)行此測(cè)試，使用了Chromasens 3DPIXA雙目線掃立體像機(jī)。首先，由于其余的光被定向在分束器的兩次過(guò)渡中的其他位置，因此最多只能有25％的光源強(qiáng)度到達(dá)攝像機(jī)。其次，玻璃是一種有源光學(xué)元件，會(huì)影響成像和3D計(jì)算質(zhì)量。稍后，本文將仔細(xì)研究這些因素，并提供一些有關(guān)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則，以解決由此產(chǎn)生的影響。但是首先，在此對(duì)明場(chǎng)照明對(duì)樣本選擇的影響的討論，并提供何時(shí)應(yīng)使用此類照明設(shè)置的想法。

比較明場(chǎng)和管燈照明

為了捕獲不同樣品在兩種照明方法之間的差異，使用了Chromasens CORONA II Tube燈，對(duì)于明場(chǎng)，使用了帶有擴(kuò)散玻璃的CORONA II頂燈以及由Schott North的1.1 mm Borofloat玻璃制成的分束器

圖3顯示了由石蠟制成的蠟燭的掃描圖像，石蠟是一種表現(xiàn)出強(qiáng)烈的地下散射的材料。

使用同軸照明（右圖）時(shí)，表面紋理清晰可見(jiàn)，高度圖顯示蠟燭略微彎曲的形狀。相比之下，日光燈（左圖）的紋理非常低。隨后，大部分高度（黑色假色區(qū)域）的高度信息無(wú)法恢復(fù)。該紋理僅在同軸照明下可見(jiàn)，因?yàn)樵谶@種情況下，從表面反射的光在最終圖像中比次表面散射光更占優(yōu)勢(shì)。但是，這兩種效果之間的比率隨表面傾斜度的不同而變化。表面法線與相機(jī)觀察角度的偏離越大，直接從第一表面反射的直接光越少。因此，圖像中的紋理變低。對(duì)于蠟燭樣品，超過(guò)15°的偏差會(huì)導(dǎo)致無(wú)法恢復(fù)高度信息。從右圖可以看到蠟燭的外邊緣。下一個(gè)示例是電子電路板基板材料，這種表面通常是半透明的塑料，表面光滑。掃描的樣品如圖3所示。管光圖像中的基材區(qū)域（左）顯示低紋理，導(dǎo)致部分低性能的高度重建（假彩色圖像覆蓋中的黑點(diǎn)）。使用同軸照明（右圖），從材料表面反射回相機(jī)的源射線的量大于表面下的散射光。圖像紋理更高，并且高度重建性能得到改善。但是，如果將球的高度作為焦點(diǎn)而不是檢查基板，則情況會(huì)變得更加復(fù)雜，因?yàn)橥S照明會(huì)導(dǎo)致球頂部出現(xiàn)鏡面反射。如果這些區(qū)域飽和，也會(huì)對(duì)高度測(cè)量產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，最佳照明在很大程度上取決于測(cè)量任務(wù)和所使用的材料，并且通常只能通過(guò)測(cè)試來(lái)確定。分束器本質(zhì)上是平面平行玻璃板，可在不改變其方向的情況下抵消通過(guò)的每條光線。該偏移量的大小取決于入射角，玻璃的厚度及其折射率。因此，分束器的厚度應(yīng)僅為出于穩(wěn)定性原因所需的厚度。在下面的分析中，假定分束器中的硼浮法玻璃的厚度為d = 1.1 mm。分束器影響的結(jié)果是該點(diǎn)的移動(dòng)，從該點(diǎn)可以在所有三個(gè)空間坐標(biāo)中獲取最清晰的圖像。沿傳感器方向（稱為x方向）的變化導(dǎo)致成像系統(tǒng)的放大倍率變化可忽略不計(jì)（<0.4％，對(duì)相機(jī)類型的依賴性很?。?/p>

圖4：使用管狀閃電（左）和同軸照明（右）插入具有錯(cuò)誤顏色高度的球柵陣列的圖像。

相機(jī)：橫向分辨率為15μm的3DPIXA；CP000470-C01-015-0040沿掃描方向（稱為y方向）的變化僅會(huì)偏移圖像的起點(diǎn)。如果掃描線的確切位置很重要，即在滾動(dòng)時(shí)，相機(jī)需要相對(duì)于預(yù)期的掃描線移動(dòng)以下位置：Δy= d *（0.30n – 0.12）。該方程對(duì)所有玻璃厚度d有效，并且是對(duì)n的實(shí)際依賴關(guān)系的線性近似，其中n是引入光路的玻璃材料的折射率。近似值在n = [1.4，1.7]的間隔內(nèi)。位移的方向朝向靠近樣品的光束分離器的一端，因此在圖1中的方案中，必須將攝像機(jī)移到左側(cè)。沿系統(tǒng)的x軸和y軸，工作距離的變化是不同的，這是因?yàn)榉质鲀A斜45°導(dǎo)致像散。在y方向上，工作距離增加了ΔZ ??= + d *（0.24n 0.23）。如上所述，該公式對(duì)所有d和n = [1.4，1.7]有效。沿x方向的工作方向變化不是恒定的，而是根據(jù)成像點(diǎn)的位置而變化，這會(huì)導(dǎo)致像場(chǎng)彎曲。像散和像場(chǎng)彎曲都會(huì)略微降低圖像質(zhì)量，這會(huì)影響分辨率極限附近結(jié)構(gòu)的成像。但是它們不應(yīng)影響3D算法，因?yàn)橥ǔＶ荒苡?jì)算大小為幾個(gè)像素的高度結(jié)構(gòu)。另外，對(duì)于上述光學(xué)效果，分束器還更改了由3D算法計(jì)算出的絕對(duì)高度值，即到相機(jī)的絕對(duì)距離。每個(gè)相機(jī)的高度變化的確切值略有不同。通常，相機(jī)和樣本之間的測(cè)量距離會(huì)減小，因此結(jié)構(gòu)看起來(lái)比實(shí)際位置更靠近相機(jī)。在模擬顯示0.2％的變化的情況下，此變化在整個(gè)高度范圍內(nèi)都是恒定的，并且在整個(gè)視場(chǎng)中也是恒定的?？偠灾鄬?duì)高度測(cè)量值根本不受影響，絕對(duì)測(cè)量值偏移恒定的偏移量。由于不知道所計(jì)算高度的精確變化，因此不能使用高度圖的零平面將攝像機(jī)調(diào)整到正確的工作距離。建議使用自由工作距離來(lái)設(shè)置攝像機(jī)，并從上方用Δzy對(duì)其進(jìn)行校正。外星眼機(jī)器視覺(jué)認(rèn)為：在某些半透明材料上，即那些表現(xiàn)出較大的次表面光散射的材料，使用同軸照明可以導(dǎo)致圖像紋理的顯著增加，這大大有利于3D高度的重建。但是，使用同軸照明時(shí)，攝像系統(tǒng)光路中分束器的附加玻璃會(huì)對(duì)光學(xué)質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，系統(tǒng)的工作距離會(huì)略有變化，并且絕對(duì)測(cè)量值會(huì)偏移恒定的偏移量。

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