防止线扫机器视觉相机热致图像畸变

天文学成像表明，大气条件和天气效应影响图像质量，因光路中空气折射率局部变化。这些变化随波长、大气压和湿度变化而变化。

机器视觉领域，压力和湿度通常可假设在整个光路恒定。但若光路中存在湍流气流导致局部压力变化则例外。湍流典型成因是不同温度部件间的热对流。机器视觉常见热源包括照明、高负载电子元件、高温样品如熔融金属。

对成像的影响

湍流空气中不同折射率充当梯度透镜，扭曲受影响区域的图像内容。畸变幅度和范围过于复杂且高度依赖具体装置，难以数学建模。我们通过示例测量展示典型量级，指导您在自有装置中测量。

在线扫描相机中，沿扫描方向每条线的光学畸变恒定，因此图像中不可见。这将问题简化为一维空间——垂直于扫描方向——和时间维度。两个维度可通过线扫相机拍摄静止目标同时观察。光学畸变将在 x 方向移动图像内容位置，而 y 方向畸变延伸代表时间信息。

通过成像静止线栅可轻松测量该位移。基本原理如图 1 所示：通过平均每个 x 位置周围几列的感兴趣区域获取参考图像强度分布（绿色）。一个方形测试块（红色）沿整列移动，每个位置通过插值亚像素平移测试数据。记录测试块与参考块相关性最高的位移，以颜色标度图可视化数据。

图 2 展示用 Chromasens allPIXA 相机（5 μm 光学分辨率）拍摄静止线栅图像的可视化结果。热源为 Chromasens Corona II 管灯，以最大 LED 电流运行。该装置中光学畸变幅度 <0.15 像素。湍流在位移图中表现为相似畸变区域，延伸 10–30 mm，持续 200–800 ms。

测量表明，标准照明热对流引起的图像干扰幅度不会对标准检测任务产生明显影响。但依赖亚像素精度的专用图像处理任务（如亚像素特征提取或基于亚像素的图像相关）可能因这些畸变导致测量精度下降。

抑制图像畸变

通过防止湍流可抑制图像畸变。可用风扇产生层流气流。层流中压力恒定，无梯度透镜效应。气流需覆盖整个热源表面，或湍流可能出现的整个光路体积。对线扫相机，第二种方案通常更易实现，因光路限于一平面。风扇可安装在相机侧面，气流方向沿传感器线。上例中，管灯观察狭缝正下方空气需被层流渗透。因照明侧壁阻挡侧向直接进气，风扇安装在管灯顶部，以倾斜角吹入观察狭缝（图 3）。此法将畸变幅度降至难以分辨的极小值。

结论

光路附近的热源可引入图像畸变，局部移动图像内容位置。对线扫相机，存在覆盖数 mm 视场的相似位移区域，约 1 秒内出现消失。亚像素图像内容分析将受此位移负面影响。建议用风扇产生的层流气流覆盖光路中受湍流影响的整个体积以抑制此效应。

本文由 Timo Eckhard（研究与创新团队负责人、创新与知识产权管理）和 Sebastian Georgi（研究与创新经理），Chromasens GmbH（德国康斯坦茨）撰写。更多信息请联系 Eckhard 先生 This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.，Georgi 先生 This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.，或访问 here 。

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