同轴照明

以下是成像资源指南的第 12.2部分

同轴照明是一种独特的照明风格，它将照明整合到机器视觉镜头的光学系统中，通常采取光纤光导或LED光源和分光光学元件的方式。尽管同轴照明不像漫射同轴光照明那么庞大，并且更容易整合到空间有限的系统中，但是，系统设计师还必需考虑一些重要的光学差异。相比漫射同轴光照明，同轴照明的方向性更强，主光束几乎与物方中的光轴平行，这是同轴照明被广泛整合到远心镜头中的原因之一（图1）。相比之下，漫射同轴光照明会以多个不同角度投射光线，显示物体和图像平面上的不同性质。

In-Line Illumination within a Telecentric Lens

图1: 远心镜头同轴照明图解。

将同轴照明与亮场照明进行比较，也会产生截然不同的结果。图2显示了使用亮场照明与同轴照明的镀铬玻璃凸形USAF 1951的对比度目标。

Chrome on Glass USAF 1951 Resolution Target with Bright Field Illumination and In-Line Illumination

图2: 使用亮场照明（图2a）和同轴照明（图2b）的镀铬玻璃USAF 1951的分辨率目标。

这两种照明最直接的差別在于两张图像的对比度完全相反。此外，目标中的缺陷在亮场图像中更加明显，这可能会产生有利或不利的影响，具体取决于应用。有趣的是，目标的高反射性质使同轴照明图像产生比亮场照明图像高出约10%的对比度 - 下文将解释其原因。

何时使用同轴照明

在考虑使用同轴照明时，务必确切了解其适用和不适用的场合。由于照明路径上的光线的性质，同轴照明特别适合用于检测镜面或半镜面物体，如半导体晶片或CCD。使用两个不同的远心镜头（一个使用同轴照明，另一个不使用同轴照明）时，相同CCD的图像会呈现出亮场照明（使用环形灯）和同轴照明之间的差别。图3中显示了图像。

Comparison of Brightfield Illumination with In-line Illumination

图3: 亮场照明（左）和同轴照明（右）的比较。

同轴照明是观察CCD边缘电线的更佳选择，因为电线与CCD其余部分之间的对比度更高、更均匀。如图4所示，图3（使用亮场照明）中的电线看起来更亮，使用同轴照明的图像看起来更暗，这是由照明的光线路径造成的。使用亮场照明时，光线会散射到镜头内；而使用同轴照明时，光线会散射到镜头外。

使用亮场照明时，从环形灯产生的光线会被物体反射到镜头中。反射会根据环形灯中个别光源的角度以及电线自身相对于CCD表面和焊接材料尖端的角度而变化，正因为如此，不同电线长度上的反射的像素值不一致。使用同轴照明时，所有光线都会被物体反射，并散射到镜头外，因此碰触到电线的光都不会反射回镜头中和传感器上。同轴照明背景的对比度更均匀，而且电线的对比度更强，这使其成为观察电线的更好选择（相较于亮场照明）。

亮场照明和同轴照明的比较。
亮场照明	同轴照明
低对比度电线	高对比度电线
面板上的明亮芯片	面板上的暗淡芯片
高对比度图像	照明均匀，且特性间的对比度一致 (红色方框)

如果要观察CCD护罩玻璃上的亮点或裂边，同轴照明也是更具优势的选择，因为整个图像的对比度更加均匀。使用同轴照明显示的暗淡裂边（由图4所示的散射光造成）在杂乱的CCD背景下显示的对比度要比使用亮场照明形成的高对比度图像（如图3所示）高得多。

何时不使用同轴照明

由于同轴照明具备诸多优势，因此通常被认为始终是空间有限的系统的最佳选择。遗憾的是，对于具有光学漫射性或需要大视场的物体来说，它并不是最佳解決方案。在与漫射物体配合使用时，同轴照明会在图像上产生热点，该热点是由物体的朗伯（Lambertian，一个几乎不变的双向反射分布函数）趋势造成的，它对任何检测系统都是有害的。图5显示了使用（右图）和不使用（左图）同轴照明时木制材料漫射物体的图像。