/ 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,比较了这两种照明方法在彩色图像质量和高度图方面的差异。

 

很显然,对于表现出相当数量的次表面散射的材料,同轴照明方案有利于3D测量。在实际应用中,应当记住,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。

1:管灯照明(左)和同轴亮场照明(右)示意图。

 

光源发出的光从平面样品直接反射到相机中的照明方案,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,使得照明角度与表面法线的角度相同,但方向相反;第二种方法是通过分束器实现。我们并不推荐第一种方法,因为它可以导致遮挡和梯形效应。

 

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,管灯是很不错的照明选择。它能减少镜面反射的强度,并能均匀地照亮弯曲、光滑的材料。因此,管灯是许多应用的首选,只有少数材料需要使用同轴亮场照明。

 

需要同轴亮场照明的一个材料案例是:表现出较强的次表面散射的材料,这意味着光束能在一定方向上部分穿透材料,并被多次散射,导致光束离开材料时可能在不同的位置,并具有不同的方向,通常为半透明材料。这种材料有大理石、皮肤、石蜡或一些塑料。

 

使用管灯照明这样的材料,导致非常均匀的外观,纹理小,这对于3D重建而言是有问题的。相比于管灯照明,采用同轴亮场照明,从材料表面到相机将会产生相对更直接的反射。第一表面反射有助于图像纹理,从而相对减少进入相机的次表面散射光。

 

当同轴照明与3D相机一起使用时,必须考虑一些特定的属性。为了这个测试的目的,我们使用了chromasens 公司的一台3DPIXA立体相机。首先,只有最大25%的光强度可以到达相机;第二,玻璃是有源光学元件,其影响成像和3D计算质量。接下来,本文将仔细研究这些因素,并为机械系统设计提供一些指导,以说明产生的效果。但首先,我们将讨论亮场照明对样本选择的影响,并说明何时应该使用这种照明。

 

亮场照明与管灯照明

 

为了用不同的样品捕获这两种照明方法之间的差异,我们使用了chromasens CORONA II用于管灯照明;对于亮场照明,使用带有扩散镜的CORONA II顶部光源,并配合由肖特公司的1.1mm Borofloat玻璃制成的分束器一起使用。

 

2:使用管灯照明的石蜡图像(左图)和使用同轴照明的石蜡蜡图像(右图)。拍摄使用的相机为具有30μm横向分辨率的3DPIXA相机,具体型号为CP000 047 0C01-030 0105

 

2显示了由石蜡制成的蜡烛的扫描图像,石蜡是一种具有较强次表面散射的材料。使用同轴照明(右图),表面纹理清晰可见,高度图像显示蜡烛略微弯曲的形状。

 

相比之下,管灯照明(左图)所显示的纹理非常少。而且,对于大多数高度区域(黑色假彩色区域),高度信息无法恢复。蜡烛的纹理只有在同轴照明下才可见,这是因为在这种情况下,从表面反射的光在最终图像中比次表面散射光更占主导地位。

 

然而,反射光和散射光之间的比例,随着表面倾斜的不同而变化。表面法线越偏离相机的观察角度,直接从第一表面反射的光越少。因此,图像中的纹理变得更低。对于蜡烛样品,超过15°的倾斜将导致高度信息无法恢复。这可以在蜡烛的外边缘图像中看到。

 

另一个案例是电子线路板基板材料,通常是半透明的具有光滑表面的塑料材料。扫描后的样品如图3所示。

 

在管灯照明图像(左图)中的基板区域显示的纹理较少,导致部分低性能的高度重建(假彩色图像叠加中的黑色点)。利用同轴照明(右图),从材料表面反射回来的光线量大于次表面散射光,图像纹理更高,高度重建性能得到改善。

 

然而,如果球的高度是焦点而不是检查基板,则情况变得更加复杂,因为同轴照明导致球上的镜面反射。如果这些区域是饱和的,它也会对高度测量产生负面影响。

 

因此,最佳照明强烈取决于实际的测量任务和使用的材料,并且通常只能通过测试来确定。

 

光学影响

分束器本质上是一个平面平行玻璃板,用于将入射光分束,一束与入射光同向,另一束方向放生偏移。偏移量的大小取决于入射角、玻璃的厚度和折射率。因此,分束器的厚度应尽可能小,以满足稳定需求。在下面的分析中,假设分光器中Borofloat玻璃的厚度为d=1.1mm

 

分束器带来的影响是点的运动,进而可以在所有三个空间坐标中获得最锐利的图像。沿传感器方向的变化(称为X方向)导致成像系统的放大率变化可以忽略(<0.4%,对相机类型的依赖性很小)。

 

3:使用管灯照明获得的具有假彩色高度的球栅阵列图像(左图),和使用同轴照明获得的图像(右图)。

 

沿扫描方向的变化(称为Y方向)只偏移图像的起始点。如果扫描线的精确位置非常重要,即当观察滚动时,相机需要相对于预定扫描线偏移,偏移量为Δy = d*(0.30n – 0.12)

 

该方程对于所有玻璃厚度d都是有效的,并且是对n的真实依赖性的线性近似,n是引入到光路中的玻璃材料的折射率。对于所有类型的3DPIXAS相机,该近似在n=[1.41.7]的区间是有效的。位移的方向朝向更靠近样品的分束器的末端,因此在图1中的方案中,相机必须向左移动。

 

由于分束器的45°倾斜导致散光,因此工作距离的变化沿系统的X轴和Y轴有所不同。在Y方向,工作距离的增加可由如下公式计算:Δzy = +d*(0.24n +0.23)

 

如上所述,该公式对于所有dn=[1.41.7 ]都是有效的。工作方向沿X方向的变化不是恒定的,但也随着成像点的位置而变化,这将导致场曲。散光和场曲都会轻微降低图像质量,这影响了接近分辨率极限的结构成像。但是它们不应该影响3D算法,因为通常只能计算大小为几个像素的高度结构。

 

此外,对于上面讨论的光学效果,分束器也改变由3D算法计算的绝对高度值,即到相机的绝对距离。对于每个相机而言,这个高度变化的精确值略有不同。一般来说,相机和样品之间的测量距离减小,因此结构看起来比实际更靠近相机。

 

这种变化在整个高度范围内是恒定的,模拟显示0.2%的变化,并且在整个视场中也是恒定的。总之,相对高度测量根本不受影响,并且绝对高度测量发生恒定的偏移。

 

由于计算高度的精确变化是未知的,所以高度图的零平面不能用于将相机调整到正确的工作距离。建议使用制造商建议的自由工作距离设置相机,并用上面的Δzy进行校正。

 

总结

在某些半透明材料(也就是那些具有明显次表面散射的材料)中,使用同轴照明可以在图像中表现出清晰的纹理,这非常有益于3D高度重建。然而,在使用同轴照明时,在相机系统的光路中增加分束器,会对光学质量带来负面影响。