Shenzhen V-Plus Technologies Co., Ltd.

3D attēlveidošana

Telecentriskās lēcas veic precīzus mērījumus

Telecentriskās lēcas mašīnredzamības sistēmām piešķir papildu precizitāti.

 234 (1)

Telecentriskās lēcas mašīnredzamības sistēmām piešķir papildu precizitāti.

Autors Endrjū Vilsons, redaktors

Daudzās mašīnredzes sistēmās, piemēram, pusvadītāju pārbaudē izmantotajās, konsekventi jāveic precīzi atkārtojami mērījumi. Lai nodrošinātu, ka tas notiek, sistēmu izstrādātājiem ir jāvēršas pie dārgākām optiskām sistēmām, kuru pamatā ir telecentriskas lēcas, lai attēlotu šīs daļas. Daudzi no telecentrisko objektīvu izvēles iemesliem izriet no parastāku objektīvu sistēmu ierobežojumiem.

Piemēram, ja objekts kaut nedaudz pārvietojas parastās objektīva sistēmas lauka dziļumā, būs saistītas palielinājuma izmaiņas. Agrāk palielinājuma izmaiņas objekta pārvietošanas dēļ tika kalibrētas, izmantojot papildu kameru vai dziļuma sensoru, kas izseko attālumu starp objektīvu un objektu. Telecentriskā objektīva izmantošana var ievērojami samazināt vai pat novērst šādas palielinājuma izmaiņas, un tāpēc vairs nav vajadzīga papildu kamera un attēla datu pirmapstrāde, kas citādi varētu būt nepieciešama, lai novērstu visas palielināšanas kļūdas.

Perspektīvās vai paralakses kļūdas var novērst arī, izmantojot telecentriskas lēcas. Parastajās optiskajās sistēmās tuvāki objekti šķiet salīdzinoši lielāki nekā tālāk esošie, jo objekta palielinājums mainās līdz ar tā attālumu no objektīva. Tomēr telecentriskās lēcas optiski koriģē šo paralakses kļūdu tā, ka objekti paliek vienādi uztverta izmēra neatkarīgi no noteikta attāluma no lēcas.

234 (1)

Ja 3D objektu attēlošanai tiek izmantota standarta optika, attāli objekti parādīsies mazāki nekā tālāk esošie objekti. Tā rezultātā, kad tiek attēlots objekts, piemēram, cilindriska dobums, augšējās un apakšējās apļveida malas šķiet koncentriskas un tiek attēlotas cilindra iekšējās sienas (kopēja optika uzvedas kā cilvēka acis, skatoties krūzītes vai glāzes iekšpusē). . Tomēr, izmantojot telecentrisko optiku, apakšējā mala un iekšējās sienas pazūd, un tāpēc telecentriskais objektīvs dod 3D objekta skatu uz 2-D, liekot mašīnvīzijas sistēmai darboties vairāk vai mazāk kā CAD programmatūrai (sk. 1. att.) ).

Palielinājums mainās

Telecentriskums nosaka, kā objekta palielinājuma apjoms redzes laukā (FOV) mainās līdz ar objekta attālumu. Tādējādi attiecībā uz to pašu FOV objektiem, kas tiek attēloti ar garu fokusa attāluma objektīvu, palielinājuma izmaiņas būs mazākas nekā tiem, kas tiek attēloti ar īsu fokusa attāluma objektīvu. Tā kā telecentriskās lēcas darbojas tā, it kā tām būtu bezgalīgs fokusa attālums, palielinājums nav atkarīgs no objekta attāluma. Kaut arī objektīviem tuvāk vai tālāk pārvietotu objektu fokuss var atšķirties, objekta attēla izmērs būs nemainīgs.

234 (2)

Konkrēta objektīva telecentriskuma pakāpi mēra ar galveno staru vai telecentrisko leņķi (sk. 2. attēlu). Lai gan standarta komerciālo objektīvu telecentriskie leņķi var būt 10 ° vai vairāk, telecentrisko objektīvu galvenie staru leņķi ir mazāki par 0,1 °. Lai sasniegtu šo telecentriskuma līmeni, objektīvajam elementam jābūt lielākam par attēlojamā objekta FOV, padarot šādas lēcas lielākas un tādējādi dārgākas.

Izvēloties telecentrisko objektīvu konkrētai mašīnvīzijas lietošanai, sistēmu integrētājiem ir jāsaprot gan atsevišķu ražotāju izmantotā terminoloģija, gan katra objektīva dizaina darbības principi. Parasti telecentriskās lēcas tiek piegādātas kā objekta telpa, attēla telpa vai divkārši vai divtelecentriskas konstrukcijas (sk. 3. attēlu). Kaut arī daudzi ražotāji piedāvā šāda veida objektīvus, attēla telpas telecentriskās lēcas biežāk tiek izmantotas attēlu projicēšanas iekārtās un reti mašīnu redzamības lietojumprogrammās.

234 (3)

Telecentriskajās lēcās galvenais stars caur ieejas vai izejas zīlītes centru ir paralēls optiskajai asij vienā vai abās lēcas pusēs, atkarībā no tā, kāda veida lēcu izmanto. Mašīnas redzamības sistēmās no šiem objektīvu veidiem visbiežāk izmanto objekta puses telecentriku. Šajos dizainos galvenie stari ir paralēli mērāmajam objektam, un objektīvu sistēmu izmanto, lai fokusētu attēlu uz CCD vai CMOS kameru. Tā kā šie objektīvi objekta pusē ir tikai telecentriski, ir nepieciešami mazāk objektīvu elementu nekā ar divtelecentriskiem objektīviem, kā rezultātā ir zemākas izmaksas.

Vai nu 2 / 3-, vai 1/2-in. formāta sensori, Edmund Optics savā Techspec Gold sērijā piedāvā divas objekta puses telecentriskās lēcas. Kamēr 2/3-in. sērijā ietilpst pieci objektīvi, kas paredzēti izmantošanai ar 2/3-in. vai mazāki sensori, 1/2 collu. sērijā ietilpst četri objektīvi lietošanai ar 1/2 collu. vai mazāki sensori. 1/2 collas. sērija maksimizē lauka pārklājumu, saskaņojot lielākās FOV vērtības 2/3-in. sērija, kas ļauj veikt lielākus laukus ar mazākām kamerām. Šīs lēcas nodrošina nemainīgu palielinājumu noteiktā lauka dziļumā un nodrošina mazāku par 0,2 ° telecentriskumu noteiktajā darba attāluma diapazonā.

Objekta un attēla telpas

Tiek piedāvātas daudzas objekta-telpas telecentriskās lēcas ar fiksētu fokusa attālumu. Tomēr dažās mašīnvīzijas lietojumprogrammās var būt nepieciešams optiski palielināt uzņemtā attēla lielumu. Lai apmierinātu šīs vajadzības, daži uzņēmumi piedāvā telecentriskas tālummaiņas objektīvus, kas ļauj lietotājam mainīt fokusa attālumu attēla vietā, vienlaikus saglabājot telecentriskumu objektīva objekta pusē. Lai to panāktu, telecentriskām tālummaiņas objektīvu sistēmām ar dažādu ātrumu automātiski jāpārvieto priekšējā gala optika un pietura starp priekšējiem un aizmugurējiem objektīviem. Tā kā šīs objektīvu sistēmas ir mehāniski sarežģītākas nekā fiksēta fokusa garuma objektīvi, tālummaiņas telecentriku piedāvā tikai daži uzņēmumi.

Piemēram, Navitar 12x telecentriskā tālummaiņas objektīvu sistēma nodrošina telecentriskumu mazāk nekā 0,3 ° robežās, vienlaikus saglabājot nemainīgu perspektīvu un palielinājumu. Ar lauka pārklājumu diapazonā no 50 līdz 4 mm 188 mm darba attālumā 12x telecentriskais nodrošina regulējamu fokusa attālumu no 0,16x līdz 1,94x palielinājuma diapazonā.

Dažos gadījumos, īpaši augstas precizitātes mērījumiem, ir jāizmanto divtelecentriskas lēcas, kas nodrošina telecentriskumu gan objekta, gan attēla plaknēs, lai mazinātu optisko aberāciju un ģeometrisko deformāciju ietekmi. Tā kā dubultajiem telecentriskajiem objektīviem ir bezgalīgs fokusa attālums, attēla izmērs sensora stāvokļa dēļ FOV nemainīsies. Tādējādi divtelecentriskiem dizainiem var būt lielāks palielinājuma lauka dziļums un lielāks diapazons, kurā attēlotais objekts var pārvietoties, saglabājot to pašu palielinājumu.

Tas ir īpaši svarīgi, jo CCD un CMOS sensori turpina attīstīties ar arvien mazākiem pikseļiem. Lai palīdzētu fokusēt gaismu uz atsevišķiem pikseļiem, attēlu ražotāji tagad savos sensoros iekļauj mikrolēcu blokus. Šīs lēcas, kas novietotas virs katra atsevišķa pikseļa, ir visefektīvākās, ja ienākošie gaismas stari atšķiras no normālā 5 ° vai mazāk. Šī iemesla dēļ divtelecentriskās lēcas, kurās telecentriskums pastāv gan objektīva objektā, gan attēla pusē, var efektīvāk fokusēt ienākošo gaismu. Lai arī šīs lēcas ir dārgākas nekā viena objekta puses telecentriskas lēcas, tās palielina objekta mērīšanas precizitāti.

Vēl viena divtelecentrisko lēcu priekšrocība ir pat apgaismojums. Sakarā ar staru īpašo ceļu attēla telpā, kur staru konusi ar detektora virsmu ietriecas ar tādu pašu slīpumu, pikseļi tiek apgaismoti ar tādu pašu intensitāti visā detektora izmērā. Šī funkcija nav ļoti labi zināma, taču tā var būt ļoti noderīga tiem lietojumiem, kur jākontrolē krāsu viendabīgums.

Objektīvus piedāvā vairāki uzņēmumi, tostarp V-Plus Technologies , Navitar, Schneider Optics un Sill Optics. Piemēram, Schneider Optical Xenoplan divpusējie telecentriskie objektīvi ir paredzēti darbam ar 2/3-in. formāta CCD kameras un tām ir regulējama varavīksnenes un fokusa vadība. Šīs fiksētā fokusa garuma lēcas sastāv no pieciem dažādiem modeļiem ar fiksētu palielinājumu: 1: 1, 1: 2, 1: 3, 1: 4 un 1: 5.

Kā norāda Rolfs Wartmans no Schneider Optics, kad divtelecentriskās lēcas netiek izmantotas kā precīzas mērīšanas lēcas, defokusējot rodas asimetriski vai dreifējoši malas attēli. Tas noved pie neprecīzas malu noteikšanas, kā rezultātā acīmredzami netiek sasniegta teorētiski iespējamā precizitātes pakāpe. Divpusēji telecentriskās lēcas nepiemīt šie trūkumi, un tādējādi ļauj tuvoties teorētiski iespējamajai precizitātes pakāpei (sk. Www.schneiderkreuznach.com/knowhow/telezentrie_e.htm).

Freneles lēcas

Objekta-telpas telecentriskajām lēcu sistēmām jābūt ar priekšējo elementu, kas ir vismaz tikpat liels kā FOV. Tādēļ parasts objekta kosmosa telecentriskais objektīvs pat 16 collu skatīšanai. lauks ir gan ļoti dārgs, gan ļoti smags (sk. 4. att.). Lai to pārvarētu, tādi uzņēmumi kā LightWorks ir izstrādājuši telecentriskas lēcas, kurās iestrādāti Fresnel lēcas, lai samazinātu svaru, izmaksas un garumu. Telecentriskās lēcas, kuru pamatā ir Fresnels, parasti tiek veidotas ar tādu Frenela formas priekšējo elementu, kas atgādina plakani izliektu vai plakani ieliektu lēcu, kas ir sagriezta šauros gredzenos un izlīdzināta. Parasti Fresnela objektīvs ir izgatavots no plānas, ar rievu veidotas plastmasas, un aizmugurējais elements vai elementi ir veidoti ar parasto optiku.

234 (4)

Ir viena liela priekšrocība, lietojot Fresnel lēcas kā daļu no telecentriskas sistēmas - tās var uzbūvēt, lai uzņemtu daudz lielākas FOV, nekā tas citādi būtu praktiski vai pat iespējams. Parastā telecentriskā objektīva praktiskā robeža, visticamāk, ir robežās no 12 līdz 16 collām. Light Works ir izstrādājis un uzbūvējis Fresnela bāzes telecentriskas sistēmas FOV, kuru izmērs ir 42 collas.

Neskatoties uz priekšrocībām, uz Fresnel objektīviem balstītās sistēmas ir ierobežotas. Tā kā Fresnel lēcām nav krāsu korekcijas, parasti vislabāk ir tās lietot ar gandrīz vienkrāsainu gaismu, piemēram, LED avotiem. Pretējā gadījumā ir iespējamība, ka ap attēlotajiem objektiem parādās krāsas bārkstis. Turklāt, salīdzinot ar parastajiem objektīviem, Fresnela objektīvu attēla kvalitāte labākajā gadījumā ir taisnīga, un tā var nebūt laba izvēle ļoti precīzās mērīšanas lietojumprogrammās vai nelielu defektu noteikšanai. Gaismas zudumi no Fresnela lēcas ir arī samērā lieli, pateicoties gaismas izkliedēšanai pie lēcas rievām un pretlēcienu pārklājumu trūkumam pašā objektīva. Neskatoties uz to, zemākas izšķirtspējas lietošanai uz Fresneli balstīts telecentriskais objektīvs var būt ļoti praktisks un rentabls risinājums.

234 (5)

Interesanti, ka Canon apgalvo, ka ar šādām lēcām saistītās problēmas ir pārvarējis ar savu difrakcijas optikas (DO) tehnoloģiju, kurā tiek izmantoti divi viena slāņa difrakcijas optiskie elementi, kuru difrakcijas režģi ir savstarpēji savienoti aci pret aci (sk. 5. att.). Tā kā lielāki viļņu garumi lielā difrakcijas leņķa dēļ veido attēlu tuvāk objektīvam un mazāki viļņu garumi mazāka difrakcijas leņķa dēļ veido attēlu tālāk no objektīva, DO elementu salikšana ar parasto stikla optiku atceļ hromatiskās aberācijas (sk. Canon Vietne). Diemžēl šīs tehnoloģijas izmantošanai vēl nav jāatrod telecentrisko objektīvu bāzes dizains.

Pericentriskā optika nodrošina 360 ° skatu

Daudzas mašīnredzes sistēmas tiek izmantotas, lai pārbaudītu vairāk nekā vienu gabala virsmu, un daudzos gadījumos ir nepieciešama 100% cilindriskas vai sfēriskas virsmas pārbaude. Iepriekš šīs pārbaudes tika veiktas, izmantojot virkni kameru, kas izvietotas ap detaļu, katrai kamerai fiksējot konkrētas gabala malas vai daļas attēlu.

Diemžēl šī pieeja palielina sistēmas izmaksas nepieciešamo kameru skaita dēļ. Turklāt attēlotajam objektam jābūt precīzi novietotam, jo ​​katrai kamerai gabals ir jāattēlo noteiktā leņķī. Lai pārvarētu šīs problēmas, ir izstrādātas optiskas pieejas, lai iegūtu visu virsmas īpašību attēlu, ir nepieciešama tikai viena kamera.

234 (6)

Šīs lēcas tiek sauktas par perentriskām, jo ​​objekta iekšpusē ir staru ceļš - apertūras zīlīte no objekta telpas tiek uzskatīta par kustīgu ap priekšējās optiskās grupas perifēro zonu. Viņiem nepieciešama tikai viena kamera, lai attēlotu gan objekta priekšējās virsmas, gan tās apkārtējo sānu attēlu. Kad objektīvs attēlo cilindrisku objektu, vienlaikus tiek attēlota gan priekšējā virsma, gan cilindra virsma.

Šīs pieejas priekšrocība, ko bieži izmanto, lai pārbaudītu tādas detaļas kā stikla pudeles, alumīnija kārbas un citus patēriņa preču iepakojumus, ir tā, ka visas objekta īpašības var attēlot vienā kadrā un apstrādāt ar vienu algoritmu, lai iegūtu plakanu cilindriskās virsmas attēlojums.