Shenzhen V-Plus Technologies Co., Ltd.

Τρισδιάστατη απεικόνιση

Οι τηλεκεντρικοί φακοί κάνουν ακριβείς μετρήσεις

Οι τηλεκεντρικοί φακοί προσθέτουν ένα επιπλέον επίπεδο ακρίβειας στα συστήματα μηχανικής όρασης.

 234 (1)

Οι τηλεκεντρικοί φακοί προσθέτουν ένα επιπλέον επίπεδο ακρίβειας στα συστήματα μηχανικής όρασης.

Από τον Andrew Wilson, Συντάκτη

Σε πολλά συστήματα μηχανικής όρασης, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται στην επιθεώρηση ημιαγωγών, πρέπει να γίνονται με συνέπεια ακριβείς επαναλαμβανόμενες μετρήσεις. Για να διασφαλιστεί αυτό, οι προγραμματιστές συστημάτων πρέπει να στραφούν σε ακριβότερα οπτικά συστήματα που βασίζονται σε τηλεκεντρικούς φακούς με τους οποίους μπορούν να απεικονίσουν αυτά τα μέρη. Πολλοί από τους λόγους για την επιλογή των τηλεκεντρικών φακών προκύπτουν από τους περιορισμούς των πιο συμβατικών συστημάτων φακών.

Για παράδειγμα, εάν ένα αντικείμενο μετακινηθεί ακόμη ελαφρώς στο βάθος πεδίου ενός συμβατικού συστήματος φακών, θα υπάρξει μια σχετική αλλαγή μεγέθυνσης. Στο παρελθόν, οι αλλαγές μεγέθυνσης λόγω μετατόπισης αντικειμένων βαθμονομήθηκαν μέσω μιας πρόσθετης κάμερας ή ενός αισθητήρα βάθους που παρακολουθεί την απόσταση μεταξύ του φακού και του αντικειμένου. Η χρήση ενός τηλεκεντρικού φακού μπορεί ουσιαστικά να μειώσει ή ακόμη και να εξαλείψει τέτοιες αλλαγές μεγέθυνσης και συνεπώς να αφαιρέσει την ανάγκη για οποιαδήποτε πρόσθετη κάμερα και προεπεξεργασία των δεδομένων εικόνας που διαφορετικά θα απαιτούσαν διόρθωση για τυχόν σφάλματα μεγέθυνσης.

Προοπτική ή παράλλαξη μπορούν επίσης να εξαλειφθούν με τη χρήση τηλεκεντρικών φακών. Στα συμβατικά οπτικά συστήματα, τα κοντινότερα αντικείμενα εμφανίζονται σχετικά μεγαλύτερα από αυτά που βρίσκονται πιο μακριά, επειδή η μεγέθυνση ενός αντικειμένου αλλάζει με την απόσταση του από το φακό. Ωστόσο, οι τηλεκεντρικοί φακοί διορθώνουν οπτικά για αυτό το σφάλμα παράλλαξης, έτσι ώστε τα αντικείμενα να παραμένουν το ίδιο αντιληπτό μέγεθος ανεξάρτητα από μια συγκεκριμένη απόσταση από το φακό.

234 (1)

Όταν χρησιμοποιούνται τυπικά οπτικά για την απεικόνιση τρισδιάστατων αντικειμένων, τα μακρινά αντικείμενα θα εμφανίζονται μικρότερα από αυτά που βρίσκονται πιο μακριά. Κατά συνέπεια, όταν απεικονίζεται ένα αντικείμενο όπως μια κυλινδρική κοιλότητα, τα άνω και κάτω κυκλικά άκρα φαίνεται να είναι ομόκεντρα και τα εσωτερικά τοιχώματα του κυλίνδρου απεικονίζονται (τα κοινά οπτικά συμπεριφέρονται σαν ανθρώπινα μάτια όταν κοιτάζουν μέσα σε ένα κύπελλο ή ένα ποτήρι) . Ωστόσο, με τη χρήση τηλεκεντρικών οπτικών, το κάτω άκρο και τα εσωτερικά τοιχώματα εξαφανίζονται και ως εκ τούτου ο τηλεκεντρικός φακός δίνει μια δισδιάστατη όψη ενός τρισδιάστατου αντικειμένου, καθιστώντας το σύστημα μηχανικής όρασης να λειτουργεί περισσότερο ή λιγότερο όπως το λογισμικό CAD (βλ. Εικ. 1) ).

Η μεγέθυνση αλλάζει

Η Telecentricity καθορίζει πώς αλλάζει η ποσότητα μεγέθυνσης ενός αντικειμένου εντός του οπτικού πεδίου (FOV) με την απόσταση του αντικειμένου. Έτσι, για το ίδιο FOV, τα αντικείμενα που απεικονίζονται με φακό μεγάλου εστιακού μήκους θα εμφανίζουν λιγότερη αλλαγή μεγέθυνσης από αυτά που απεικονίζονται με φακό μικρού εστιακού μήκους. Επειδή οι τηλεκεντρικοί φακοί δρουν σαν να έχουν άπειρο εστιακό μήκος, η μεγέθυνση είναι ανεξάρτητη από την απόσταση του αντικειμένου. Παρόλο που τα αντικείμενα κινούνται πιο κοντά ή πιο μακριά από το φακό ενδέχεται να ποικίλουν στην εστίαση, το μέγεθος της εικόνας του αντικειμένου θα είναι σταθερό.

234 (2)

Ο βαθμός τηλεκεντρικότητας ενός συγκεκριμένου φακού μετράται από την κύρια ακτίνα ή την τηλεκεντρική γωνία (βλ. Εικ. 2). Ενώ οι τυπικοί εμπορικοί φακοί μπορεί να έχουν τηλεκεντρικές γωνίες 10 ° και άνω, οι τηλεκεντρικοί φακοί έχουν κύριες γωνίες ακτίνων μικρότερες από 0,1 °. Για να επιτευχθεί αυτό το επίπεδο τηλεκεντρικότητας, το αντικειμενικό στοιχείο πρέπει να είναι μεγαλύτερο από το FOV του αντικειμένου που πρόκειται να απεικονιστεί, καθιστώντας τους φακούς αυτούς μεγαλύτερους και επομένως πιο ακριβούς.

Κατά την επιλογή ενός τηλεκεντρικού φακού για μια συγκεκριμένη εφαρμογή μηχανικής όρασης, οι ολοκληρωτές συστημάτων πρέπει να κατανοήσουν τόσο την ορολογία που χρησιμοποιούν οι μεμονωμένοι κατασκευαστές όσο και τις αρχές λειτουργίας πίσω από κάθε σχεδιασμό φακού. Γενικά, οι τηλεκεντρικοί φακοί παρέχονται ως αντικείμενα χώρου, εικόνας-διαστήματος, ή διπλού ή δι-τηλεκεντρικού σχεδιασμού (βλ. Εικ. 3). Ενώ πολλοί κατασκευαστές προσφέρουν αυτούς τους τύπους φακών, οι τηλεκεντρικοί φακοί διαστήματος εικόνας χρησιμοποιούνται πιο συχνά στον εξοπλισμό προβολής εικόνας και σπάνια σε εφαρμογές μηχανικής όρασης.

234 (3)

Σε τηλεκεντρικούς φακούς, η κύρια ακτίνα μέσω του κέντρου της κόρης εισόδου ή εξόδου είναι παράλληλη με τον οπτικό άξονα, στη μία ή και στις δύο πλευρές του φακού, ανάλογα με τον τύπο του φακού που χρησιμοποιείται. Στα συστήματα μηχανικής όρασης, η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη από αυτούς τους τύπους φακών είναι η αντικειμενική τηλεκεντρική. Σε αυτά τα σχέδια, οι κύριες ακτίνες είναι παράλληλες με το αντικείμενο που μετράται και το σύστημα φακών χρησιμοποιείται για την εστίαση της εικόνας σε μια κάμερα CCD ή CMOS. Επειδή αυτοί οι φακοί είναι μόνο τηλεκεντρικοί στην πλευρά του αντικειμένου, απαιτούνται λιγότερα στοιχεία φακού από ό, τι με τους δικοηκεντρικούς φακούς, με αποτέλεσμα χαμηλότερο κόστος.

Για 2/3- ή 1/2-in. αισθητήρες μορφής, η Edmund Optics προσφέρει δύο σειρές τηλεκεντρικών φακών αντικειμένων στην τεχνολογία Techspec Gold Series. Ενώ τα 2/3-in. Η σειρά περιλαμβάνει πέντε φακούς για χρήση είτε με 2/3-in. ή μικρότερους αισθητήρες, το 1/2-in. Η σειρά περιλαμβάνει τέσσερις φακούς για χρήση με 1/2-in. ή μικρότερους αισθητήρες. Το 1/2-in. Η σειρά μεγιστοποιεί την κάλυψη πεδίου αντιστοιχίζοντας τις μεγαλύτερες τιμές FOV για τα 2/3-in. σειρά, η οποία επιτρέπει μεγαλύτερα πεδία με μικρότερες κάμερες. Αυτοί οι φακοί αποδίδουν σταθερή μεγέθυνση σε ένα καθορισμένο βάθος πεδίου και παρέχουν λιγότερο από 0,2 ° telecentricity στο καθορισμένο εύρος απόστασης εργασίας.

Χώροι αντικειμένων και εικόνων

Πολλοί τηλεκεντρικοί φακοί αντικειμένου χώρου προσφέρονται με σταθερά εστιακά μήκη. Ωστόσο, σε ορισμένες εφαρμογές μηχανικής όρασης μπορεί να είναι απαραίτητο να αυξηθεί οπτικά το μέγεθος της εικόνας που τραβήχτηκε. Για την αντιμετώπιση αυτών των αναγκών, ορισμένες εταιρείες προσφέρουν φακοκεντρικούς φακούς ζουμ που επιτρέπουν στον χρήστη να αλλάξει το εστιακό μήκος στο μέρος της εικόνας, διατηρώντας ταυτόχρονα την τηλεκεντρικότητα στην αντικειμενική πλευρά του φακού. Για να επιτευχθεί αυτό, τα συστήματα τηλεκεντρικού φακού ζουμ πρέπει να μετακινούν αυτόματα τα οπτικά μπροστινού άκρου και το σταμάτημα μεταξύ του μπροστινού και του πίσω φακού σε διαφορετικούς ρυθμούς. Επειδή αυτά τα συστήματα φακών είναι πιο μηχανικά εξελιγμένα από τους φακούς σταθερού εστιακού μήκους, τα τηλεκεντρικά ζουμ προσφέρονται από λίγες μόνο εταιρείες.

Το σύστημα τηλεκεντρικού φακού ζουμ 12x από το Navitar, για παράδειγμα, παρέχει τηλεκεντρικότητα σε λιγότερο από 0,3 ° διατηρώντας παράλληλα σταθερή προοπτική και μεγέθυνση. Με κάλυψη πεδίου που κυμαίνεται από 50 έως 4 mm σε απόσταση εργασίας 188 mm, η τηλεκεντρική 12x παρέχει ρυθμιζόμενα εστιακά μήκη σε εύρος μεγέθυνσης 0,16x έως 1,94x.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, ειδικά για μετρήσεις υψηλής ακρίβειας, πρέπει να χρησιμοποιούνται διηλεκτρικοί φακοί που παρέχουν τηλεκεντρικότητα τόσο στα αντικείμενα όσο και στα επίπεδα εικόνας για τη μείωση των επιπτώσεων των οπτικών παρεκκλίσεων και των γεωμετρικών παραμορφώσεων. Επειδή οι διπλοί τηλεκεντρικοί φακοί έχουν άπειρα εστιακά μήκη, το μέγεθος της εικόνας δεν θα ποικίλει στο FOV λόγω της θέσης του αισθητήρα. Έτσι, τα δικοηλεκτρικά σχέδια μπορούν να έχουν μεγαλύτερο βάθος μεγέθυνσης πεδίου και μεγαλύτερο εύρος πάνω από το οποίο το αντικείμενο που απεικονίζεται μπορεί να κινηθεί ενώ διατηρεί την ίδια μεγέθυνση.

Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό επειδή οι αισθητήρες CCD και CMOS συνεχίζουν να αναπτύσσονται με μικρότερα και μικρότερα pixel. Για να βοηθήσουν την εστίαση του φωτός σε μεμονωμένα εικονοστοιχεία, οι προμηθευτές εικόνων ενσωματώνουν τώρα συστοιχίες microlens στους αισθητήρες τους. Τοποθετημένοι σε κάθε μεμονωμένο εικονοστοιχείο, αυτοί οι φακοί είναι πιο αποτελεσματικοί όταν οι εισερχόμενες ακτίνες φωτός αποκλίνουν 5 ° ή λιγότερο από την κανονική. Εξαιτίας αυτού, οι διηκεντρικοί φακοί, όπου υπάρχει τηλεκεντρικότητα τόσο στο αντικείμενο όσο και στην εικόνα του φακού, μπορούν να εστιάσουν το εισερχόμενο φως στο πιο αποτελεσματικά. Αν και αυτοί οι φακοί είναι πιο ακριβοί από τους τηλεκεντρικούς φακούς με ένα αντικείμενο, αυξάνουν την ακρίβεια της μέτρησης αντικειμένων.

Ένα άλλο πλεονέκτημα των δι-τηλεκεντρικών φακών είναι ακόμη και ο φωτισμός. Λόγω της συγκεκριμένης πορείας των ακτίνων στο χώρο της εικόνας όπου οι ακτίνες κτυπούν την επιφάνεια του ανιχνευτή με την ίδια κλίση, τα εικονοστοιχεία φωτίζονται με την ίδια ένταση σε όλο το μέγεθος του ανιχνευτή. Αυτή η δυνατότητα δεν είναι πολύ γνωστή, αλλά μπορεί να είναι πολύ χρήσιμη για τις εφαρμογές στις οποίες πρέπει να ελέγχεται η ομοιογένεια των χρωμάτων.

Οι φακοί προσφέρονται από διάφορες εταιρείες, συμπεριλαμβανομένων των τεχνολογιών V-Plus , Navitar, Schneider Optics και Sill Optics. Οι διμερείς τηλεκεντρικοί φακοί Xenoplan της Schneider Optical, για παράδειγμα, έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν με 2/3-in. διαμορφώστε τις κάμερες CCD και έχετε ρυθμιζόμενα στοιχεία ελέγχου ίριδας και εστίασης. Αυτοί οι φακοί σταθερού εστιακού μήκους αποτελούνται από πέντε διαφορετικά μοντέλα με σταθερές μεγεθύνσεις: 1: 1, 1: 2, 1: 3, 1: 4 και 1: 5.

Όπως επισημαίνει ο Rolf Wartmann της Schneider Optics, όταν οι διηλεκτρικοί φακοί δεν χρησιμοποιούνται ως φακοί μέτρησης ακριβείας, εμφανίζονται ασύμμετρες ή παρασύροντες ακμές κατά την αποπροσανατολισμό. Αυτό οδηγεί σε ανακριβή ανίχνευση ακμών, με αποτέλεσμα ο βαθμός ακρίβειας που είναι θεωρητικά δυνατός να μην επιτευχθεί σαφώς. Οι διμερείς τηλεκεντρικοί φακοί δεν παρουσιάζουν αυτά τα ελαττώματα και έτσι καθιστούν δυνατή την προσέγγιση του θεωρητικά δυνατού βαθμού ακρίβειας (βλ. Www.schneiderkreuznach.com/knowhow/telezentrie_e.htm).

Φακοί Fresnel

Τα συστήματα τηλεκεντρικών φακών αντικειμένου χώρου πρέπει να έχουν ένα μπροστινό στοιχείο που είναι τουλάχιστον τόσο μεγάλο όσο το FOV. Εξαιτίας αυτού, ένας συμβατικός τηλεκεντρικός φακός διαστήματος αντικειμένου για προβολή ακόμη και 16 ιντσών. Το πεδίο είναι πολύ ακριβό και πολύ βαρύ (βλ. Εικ. 4). Για να ξεπεραστεί αυτό, εταιρείες όπως η LightWorks έχουν αναπτύξει τηλεκεντρικούς φακούς που ενσωματώνουν φακούς Fresnel για μείωση του βάρους, του κόστους και του μήκους. Οι τηλεκεντρικοί φακοί που βασίζονται σε Fresnel είναι συνήθως σχεδιασμένοι με το εμπρόσθιο στοιχείο μιας μορφής Fresnel που μοιάζει με έναν επίπεδο-κυρτό ή επίπεδο-κοίλο φακό που κόβεται σε στενούς δακτυλίους και ισοπεδώνεται. Συνήθως, ο φακός Fresnel είναι κατασκευασμένος από λεπτό, αυλακωτό πλαστικό, και το οπίσθιο στοιχείο ή στοιχεία είναι σχεδιασμένα με συμβατικά οπτικά.

234 (4)

Υπάρχει ένα μεγάλο πλεονέκτημα της χρήσης φακών Fresnel ως μέρος ενός τηλεκεντρικού συστήματος - αυτοί μπορούν να κατασκευαστούν για να φιλοξενήσουν πολύ μεγαλύτερα FOV από ό, τι διαφορετικά θα ήταν πρακτικά ή ακόμη και δυνατό. Το πρακτικό όριο ενός συμβατικού τηλεκεντρικού φακού είναι πιθανό να κυμαίνεται από περίπου 12 έως 16 in. Η Light Works έχει σχεδιάσει και κατασκευάσει τηλεκεντρικά συστήματα βασισμένα σε Fresnel για FOVs έως 42 in.

Παρά τα πλεονεκτήματά τους, τα συστήματα που βασίζονται σε φακούς Fresnel είναι περιορισμένα. Επειδή οι φακοί Fresnel δεν έχουν διόρθωση χρώματος, είναι συνήθως καλύτερο να τους χρησιμοποιείτε με σχεδόν μονοχρωματικό φως, όπως πηγές LED. Διαφορετικά, υπάρχει πιθανότητα εμφάνισης χρωματικών περιθωρίων γύρω από τα αντικείμενα που απεικονίζονται. Επίσης, σε σύγκριση με τους συμβατικούς φακούς, η ποιότητα εικόνας από έναν φακό Fresnel είναι στην καλύτερη περίπτωση δίκαιη και μπορεί να μην είναι καλή επιλογή σε εφαρμογές ακριβείας μέτρησης ή για την ανίχνευση μικρών ελαττωμάτων. Η απώλεια φωτός από έναν φακό Fresnel είναι επίσης σχετικά μεγάλη λόγω της σκέδασης φωτός στις εγκοπές του φακού και της έλλειψης επικαλύψεων κατά της αντανάκλασης στον ίδιο τον φακό. Ωστόσο, για εφαρμογές χαμηλότερης ανάλυσης, ένας τηλεκεντρικός φακός με βάση το Fresnel μπορεί να είναι μια πολύ πρακτική και οικονομικά αποδοτική λύση.

234 (5)

Είναι ενδιαφέρον ότι η Canon ισχυρίζεται ότι έχει ξεπεράσει τα προβλήματα που σχετίζονται με τέτοιους φακούς με την τεχνολογία διάθλασης οπτικής (DO), η οποία χρησιμοποιεί δύο διαθλαστικά οπτικά στοιχεία μονής στρώσης των οποίων οι σχάρες περίθλασης συνδέονται μεταξύ τους πρόσωπο με πρόσωπο (βλέπε Εικ. 5). Δεδομένου ότι τα μεγαλύτερα μήκη κύματος σχηματίζουν μια εικόνα πιο κοντά στον φακό λόγω της μεγάλης διάθλασης γωνίας, και τα μικρότερα μήκη κύματος σχηματίζουν μια εικόνα μακρύτερα από τον φακό λόγω της μικρότερης διάθλασης γωνίας, τοποθετώντας τα στοιχεία DO μαζί με τα συμβατικά οπτικά γυαλιού ακυρώνουν τις χρωματικές παρεκκλίσεις (βλ. Canon Ιστοσελίδα). Δυστυχώς, η χρήση αυτής της τεχνολογίας δεν έχει ακόμη βρει το δρόμο της σε σχέδια που βασίζονται σε τηλεκεντρικούς φακούς.

Η περικεντρική οπτική παρέχει προβολές 360 °

Πολλά συστήματα μηχανικής όρασης χρησιμοποιούνται για την επιθεώρηση περισσότερων της μίας όψης ενός κομματιού και σε πολλές περιπτώσεις απαιτείται 100% επιθεώρηση κυλινδρικής ή σφαιρικής επιφάνειας. Στο παρελθόν, αυτές οι επιθεωρήσεις έγιναν χρησιμοποιώντας μια σειρά από κάμερες τοποθετημένες γύρω από το τμήμα, με κάθε κάμερα να καταγράφει μια εικόνα μιας συγκεκριμένης πλευράς ή τμήματος του κομματιού.

Δυστυχώς, αυτή η προσέγγιση αυξάνει το κόστος του συστήματος λόγω του απαιτούμενου αριθμού καμερών. Επιπλέον, το αντικείμενο που απεικονίζεται πρέπει να είναι ακριβώς τοποθετημένο, επειδή κάθε κάμερα πρέπει να απεικονίσει το κομμάτι σε συγκεκριμένη γωνία. Για να ξεπεραστούν αυτά τα προβλήματα έχουν αναπτυχθεί οπτικές προσεγγίσεις έτσι ώστε να απαιτείται μόνο μία κάμερα για την επίτευξη εικόνας όλων των χαρακτηριστικών μιας επιφάνειας.

234 (6)

Αυτοί οι φακοί ονομάζονται περικεντρικοί λόγω της διαδρομής των ακτίνων εντός του αντικειμενικού φακού - ο μαθητής ανοίγματος φαίνεται από το χώρο του αντικειμένου ως κινούμενος γύρω από την περιφερειακή ζώνη της μπροστινής οπτικής ομάδας. Απαιτούν μόνο μία κάμερα για να τραβήξουν την εικόνα τόσο της μπροστινής επιφάνειας ενός αντικειμένου όσο και των γύρω πλευρών του. Όταν ο φακός απεικονίζει ένα κυλινδρικό αντικείμενο τόσο την μπροστινή επιφάνεια όσο και την επιφάνεια του κυλίνδρου απεικονίζονται ταυτόχρονα.

Το πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης, που χρησιμοποιείται συχνά για τον έλεγχο εξαρτημάτων όπως γυάλινες φιάλες, κουτιά αλουμινίου και άλλες συσκευασίες καταναλωτικών προϊόντων, είναι ότι όλα τα χαρακτηριστικά του αντικειμένου μπορούν να απεικονιστούν στο ίδιο πλαίσιο και να υποστούν επεξεργασία με έναν μόνο αλγόριθμο για να αποκτήσουν ένα επίπεδο αναπαράσταση της κυλινδρικής επιφάνειας.