图1：相机
尽管同轴明场照明在3D测量应用中具有显着优势，但重要的是要考虑工作距离和图像质量之间的权衡。选择正确的照明对于获取计算3D数据所需的高质量图像至关重要。这通常是通过定向同轴明亮场照明或日光灯完成的。本文使用各种样本，根据彩色图像质量和高度图比较了这两种照明方法。可以证明，对于表现出大量次表面散射的材料，同轴照明几何形状有利于3D测量。在实践中，应记住，在光路中引入分束器会导致相机系统的工作距离发生偏移，并且图像质量会稍有下降。 

图2：管灯照明（左）和同轴明场照明（右）的示意图。

将源光线从平面样本直接反射到相机中的照明方案称为明场。对于线扫描相机，有两种可能的方法来实现这种设置：通过倾斜相机和光源，使相对于表面法线的角度相同但方向相反，或者使用分束器。不建议使用第一种方法，因为它可能导致遮挡和梯形失真效果。图1显示了使用分束器的同轴明亮场照明设置的原理，而不是使用日光灯的设置。筒灯是广泛应用的最佳照明选择。它降低了镜面反射的强度，并均匀地照亮了弯曲的光泽材料。因此，对于许多应用来说，筒灯是一个普遍的首选，只有某些材料需要使用同轴明亮场照明。一个例子是表现出强烈的次表面散射的材料，这意味着光束在特定方向上部分穿透材料并被散射多次，导致光束以可能不同的方向从不同的位置出射。结果是透明的物质外观。这样的材料的例子是大理石，皮肤，蜡或某些塑料。在此类材料上使用日光灯会产生非常均匀的外观，几乎没有纹理，这对于3D重建来说是有问题的。与管状光照明相比，使用同轴明亮场照明会导致从表面到摄像机的反射更直接。这种第一表面反射有助于图像纹理。因此，减少了进入照相机的次表面散射光的相对量。将同轴设置与3D相机一起使用时，必须考虑一些特定的属性。为了进行此测试，使用了Chromasens 3DPIXA双目线扫立体像机。首先，由于其余的光被定向在分束器的两次过渡中的其他位置，因此最多只能有25％的光源强度到达摄像机。其次，玻璃是一种有源光学元件，会影响成像和3D计算质量。稍后，本文将仔细研究这些因素，并提供一些有关机械系统设计的准则，以解决由此产生的影响。但是首先，在此对明场照明对样本选择的影响的讨论，并提供何时应使用此类照明设置的想法。

比较明场和管灯照明

为了捕获不同样品在两种照明方法之间的差异，使用了Chromasens CORONA II Tube灯，对于明场，使用了带有扩散玻璃的CORONA II顶灯以及由Schott North的1.1 mm Borofloat玻璃制成的分束器

图3显示了由石蜡制成的蜡烛的扫描图像，石蜡是一种表现出强烈的地下散射的材料。

使用同轴照明（右图）时，表面纹理清晰可见，高度图显示蜡烛略微弯曲的形状。相比之下，日光灯（左图）的纹理非常低。随后，大部分高度（黑色假色区域）的高度信息无法恢复。该纹理仅在同轴照明下可见，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优势。但是，这两种效果之间的比率随表面倾斜度的不同而变化。表面法线与相机观察角度的偏离越大，直接从第一表面反射的直接光越少。因此，图像中的纹理变低。对于蜡烛样品，超过15°的偏差会导致无法恢复高度信息。从右图可以看到蜡烛的外边缘。下一个示例是电子电路板基板材料，这种表面通常是半透明的塑料，表面光滑。扫描的样品如图3所示。管光图像中的基材区域（左）显示低纹理，导致部分低性能的高度重建（假彩色图像覆盖中的黑点）。使用同轴照明（右图），从材料表面反射回相机的源射线的量大于表面下的散射光。图像纹理更高，并且高度重建性能得到改善。但是，如果将球的高度作为焦点而不是检查基板，则情况会变得更加复杂，因为同轴照明会导致球顶部出现镜面反射。如果这些区域饱和，也会对高度测量产生负面影响。因此，最佳照明在很大程度上取决于测量任务和所使用的材料，并且通常只能通过测试来确定。分束器本质上是平面平行玻璃板，可在不改变其方向的情况下抵消通过的每条光线。该偏移量的大小取决于入射角，玻璃的厚度及其折射率。因此，分束器的厚度应仅为出于稳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为d = 1.1 mm。分束器影响的结果是该点的移动，从该点可以在所有三个空间坐标中获取最清晰的图像。沿传感器方向（称为x方向）的变化导致成像系统的放大倍率变化可忽略不计（<0.4％，对相机类型的依赖性很小）。

图4：使用管状闪电（左）和同轴照明（右）插入具有错误颜色高度的球栅阵列的图像。

相机：横向分辨率为15μm的3DPIXA；CP000470-C01-015-0040沿扫描方向（称为y方向）的变化仅会偏移图像的起点。如果扫描线的确切位置很重要，即在滚动时，相机需要相对于预期的扫描线移动以下位置：Δy= d *（0.30n – 0.12）。该方程对所有玻璃厚度d有效，并且是对n的实际依赖关系的线性近似，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]的间隔内。位移的方向朝向靠近样品的光束分离器的一端，因此在图1中的方案中，必须将摄像机移到左侧。沿系统的x轴和y轴，工作距离的变化是不同的，这是因为分束器倾斜45°导致像散。在y方向上，工作距离增加了ΔZ ÿ = + d *（0.24n 0.23）。如上所述，该公式对所有d和n = [1.4，1.7]有效。沿x方向的工作方向变化不是恒定的，而是根据成像点的位置而变化，这会导致像场弯曲。像散和像场弯曲都会略微降低图像质量，这会影响分辨率极限附近结构的成像。但是它们不应影响3D算法，因为通常只能计算大小为几个像素的高度结构。另外，对于上述光学效果，分束器还更改了由3D算法计算出的绝对高度值，即到相机的绝对距离。每个相机的高度变化的确切值略有不同。通常，相机和样本之间的测量距离会减小，因此结构看起来比实际位置更靠近相机。在模拟显示0.2％的变化的情况下，此变化在整个高度范围内都是恒定的，并且在整个视场中也是恒定的。总而言之，相对高度测量值根本不受影响，绝对测量值偏移恒定的偏移量。由于不知道所计算高度的精确变化，因此不能使用高度图的零平面将摄像机调整到正确的工作距离。建议使用自由工作距离来设置摄像机，并从上方用Δzy对其进行校正。外星眼机器视觉认为：在某些半透明材料上，即那些表现出较大的次表面光散射的材料，使用同轴照明可以导致图像纹理的显着增加，这大大有利于3D高度的重建。但是，使用同轴照明时，摄像系统光路中分束器的附加玻璃会对光学质量产生负面影响。此外，系统的工作距离会略有变化，并且绝对测量值会偏移恒定的偏移量。

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