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同軸照明
Edmund Optics Inc.

同軸照明

成像資源指南第12.2部份

同軸照明是一種獨特的照明風格,將照明整合到機器視覺鏡頭的光學系統中,通常採取光纖光導或LED燈源和分光鏡的方式。儘管同軸照明不像漫射軸向照明那麼龐大,並且更易於整合到空間有限的系統中,但是,還有一些重要光學差異系統設計人員必須予以考慮。相比漫射軸向照明,同軸照明方向性更強,主光束幾乎與物件空間中的光軸平行,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,漫射軸向照明將以多個不同角度投射光線,顯示物件和圖像平面上的不同性質。

In-Line Illumination within a Telecentric Lens
圖 1: 遠心鏡頭內同軸照明圖解。

同軸照明與亮場照明之間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之鍍鉻玻璃正USAF 1951對比度測試板。

Chrome on Glass USAF 1951 Resolution Target with Bright Field Illumination and In-Line Illumination
圖 2: 使用亮場照明(圖2a)和同軸照明(圖2b)的鍍鉻玻璃USAF 1951分辨率測試板。

這兩類照明之間最直接的差別是兩張圖像的對比度完全顛倒了。此外,測試版中的缺陷在明場圖像中更明顯,可能產生積極或消極的影響,具體取決於應用。有趣的是,對於同軸圖像,測試版的高反射性質會產生比亮場圖像高出約10%的對比度,原因見下文。

何時使用同軸照明

當考慮使用同軸照明時,務必確切瞭解其適用場合和不適用的場合。由於光束在照明路徑上的性質,同軸照明特適合檢查鏡面物件或半鏡面物件,例如半導體晶片或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。相同CCD的圖像會展示亮場照明(使用環形光)和同軸照明之間的差別。圖3中顯示了圖像。

Comparison of Brightfield Illumination with In-line Illumination
圖 3: 比較亮場照明(左)和同軸照明(右)。

由於焊線和CCD其餘部份之間具有更高更均勻的對比度,因此同軸照明是沿CCD邊緣檢查焊線的更佳選擇。如圖4所示,圖3中使用亮場照明的焊線顯示明亮而使用同軸照明則顯示暗淡是由照明的光線路徑造成的。使用亮場照明,光線會散射到鏡頭內;而使用同軸照明,光線會散射到鏡頭外。

使用亮場照明,從環形光產生的光線會從物件反射到鏡頭中。反射根據環形光中個別來源的角度以及焊線自身相對於CCD表面和焊接材料尖端的角度而不同,這就是為什麼反射沿焊線長度上會具有不一致的像素值。使用同軸照明,所有光線都會在物件上反射,並散射到鏡頭外,因此到焊線的光都不會反射回到鏡頭中和傳感器上。背景的對比度更均勻,加上焊線的對比度更強,同軸照明因此成為檢查焊線的更好選擇(相比亮視照明)。

比較明場和同軸照明。
亮場照明 同軸照明
低對比度焊線 高對比度焊線
面板上明亮的芯片 面板上暗淡的芯片
高對比度圖像 均勻照明,具有一致的特徵間對比度(紅色方框)

如果要檢查CCD表面玻璃上的亮點或裂邊,同軸照明也將是更具優勢的選擇,因為整個圖像具有均勻度高得多的對比度。使用同軸照明顯示的暗淡裂邊(圖4中所示的散射光造成的)於雜亂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

由於同軸照明具備諸多優勢,因此通常認為始終是空間有限系統中的優越選擇。遺憾的是,對於具有光學瀰漫性的物件或需要大視場的物件,它並不是最佳的解決方案。當用於漫射物件時,同軸照明會在圖像上產生熱點,該熱點是由物件的朗伯(Lambertian,幾乎不變的雙向反射分佈函數)趨勢造成,它對任何檢查系統都是有害的。圖5顯示了使用(右圖)和不使用(左圖)同軸照明時木製材料漫射物件的圖像。

Comparison of Ray Paths Using Brightfield Illumination and In-line Illumination
圖 4: 比較使用亮場照明(左)和同軸照明(右)的光線路徑。

當朗伯型物件採用同軸照明時,圖像在視場中心具有定義明確的熱點。此熱點可有效地沖刷出所需的對比度,為亮場圖像產生約70%的對比度,而為同軸照明圖像產生約8%的對比度,這兩個對比度值都是取自圖像中心。

當然,也還有其他情形同軸照明不是理想選項。需要大視場時,照明系統的光束擴束會成為一個問題,因為在大視場內展開光通量本身會導致密度要低得多的光子束,因此對整個系統的光通量會產生消極影響。不完美的光源還會顯著且消極地影響具有大視場的同軸照明系統的效能,因為較小瑕疵在物件平面中的大投射內會被放大。

由於焊線和 CCD 其餘部分之間具有更高更均勻的對比度,同軸照明是CCD 邊緣檢查焊線更理想的選擇。如圖 2 所示,圖 1 中使用亮場照明的焊線顯示明亮,而使用同軸照明則顯示暗淡,這是由照明的光線路徑所造成。使用亮場照明,光線會散射到鏡頭內;而使用暗場照明,光線會散射到鏡頭外。

Comparison of Wooden Object with Brightfield Illumination and In-Line Illumination
圖 5: 比較使用亮場照明(左)和同軸照明(右)的木製物件。
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