从天文成像中众所周知,各种大气条件和天气效应对图像质量产生影响。这是由于光路中空气折射率的局部变化。这些变化是波长依赖性的,并且随着大气压的变化及其湿度而变化。

在机器视野领域中,通常可以假设压力和湿度在整个光路上都是恒定的。然而,如果在光路中存在湍流的空气电流可能导致局部压力变化,则存在例外。湍流的典型原因是不同温度的部件之间的热对流。机器视觉中的常见热源可以是照明,高负荷电子器件或高温样品,如倒金属。

对成像的影响

湍流空气中的不同折射率就像一个梯度透镜,使受影响区域的图像内容发生扭曲。翘曲的幅度和延伸既太复杂,也太依赖于建立数学模型的设置。相反,我们展示了一个测量这种效应的例子来代表它的典型大小,并指导您在您自己的设置中测量它。

在线扫描相机中,光学失真沿扫描方向对于每行恒定,因此在图像中不可见。这一事实将问题减少到一个空间尺寸 - 垂直于扫描方向 - 以及时间尺寸。通过利用线扫描相机获取静态目标的图像,可以一次观察两个尺寸。光学失真将在X方向上移动图像内容的位置,而在Y方向上的翘曲表示时间信息的同时。

图1所示。图像位移测量方案示意图

通过成像静态图案来容易测量这种偏移。该测量的基本原理如图1所示。通过平均围绕每个X位置围绕每个X位置的区域(以绿色描绘)的区域的感兴趣区域进行参考图像强度分布。正方形测试块(以红色描绘)沿整个列传递,并且对于每个位置,测试数据通过插值在子像素步骤中移位。为每个像素记录测试和参考之间的最高相关性的转变,并且可以在颜色刻度图像中绘制以可视化数据。

图2显示了由5 μm光学分辨率的Chromasens allPIXA相机捕获的静态线模式图像的可视化。这种情况下的热源是在最大LED电流下运行的Chromasens Corona II管状照明。在这个设置中,光学失真的幅度在<0.15像素的范围内。湍流在移位图像中可见为类似失真的区域。它们的长度为10mm - 30mm,持续时间为200ms - 800ms。

图2.测量图像移位的彩色图像表示。色标表示子像素单元的偏移。

该测量表明,由于热对流的图像扰动的大小从一个标准照明不会有明显的影响标准检查任务。然而,依赖于亚像素精度的专门图像处理任务(例如亚像素精确的特征提取或基于亚像素的图像相关)可能会由于这些失真而降低测量精度。

抑制图像扭曲

通过防止湍流可以抑制图像翘曲效果。为此目的,可以利用风扇来产生层流气流。随着层流中的压力是恒定的,不会发生梯度透镜效应。气流需要覆盖热源的整个表面,或者可能出现湍流的光路的整个体积。

第二种方法对于线扫描相机来说通常更容易实现,因为光路被限制在一个平面上。因此,风扇可以安装在摄像头的一侧,气流方向沿传感器线。在上面的例子中,管状光的观察狭缝下方的容积中的空气需要通过层流灌注。由于照明的侧壁挡住了气流的直接侧壁通道,因此将风扇安装在灯管的顶部,并以倾斜的角度吹入观察狭缝,如图3所示。这种方法把失真的幅度减小到一个看不见的小尺寸。

图3。推荐的抑制设置为Chromasens管光设置。为了举例说明,传感器在左边的图像中被描述为一个红点,在右边的图像中被描述为一条红线。

结论

靠近光路的热源可以引入图像扭曲,从而局部改变图像内容的位置。对于行扫描相机,存在覆盖视野数毫米的类似位移的图像区域,在大约一秒的时间内出现和消失。这种偏移会对图像内容的亚像素分析产生负面影响。为了抑制这种效应,建议覆盖光路沿线受来自风扇的层流湍流影响的整个体积。

本文作者Timo Eckhard, Team Leader, Research & Innovation, Innovation & IP Management;以及德国Chromasens GmbH (Konstanz, Germany)研究与创新经理Sebastian Georgi。欲了解更多信息,请与埃克哈德先生联系此电子邮件地址正在受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript来查看它。,格奥尔基先生此电子邮件地址正在受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript来查看它。或者访问这里.


Photonics&Imaging Technology杂志

本文首先出现在5月,2021号问题光子和成像技术杂志。

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