„Shenzhen V-Plus Technologies Co., Ltd.“

3D vaizdavimas

Telecentriniai lęšiai atlieka tikslius matavimus

Telecentriniai lęšiai suteikia papildomą tikslumą mašinų regėjimo sistemoms.

 234 (1)

Telecentriniai lęšiai suteikia papildomą tikslumą mašinų regėjimo sistemoms.

Autorius Andrew Wilsonas, redaktorius

Daugelyje mašinų regėjimo sistemų, pavyzdžiui, naudojamų puslaidininkių patikrinime, reikia nuosekliai atlikti tikslius pakartojamus matavimus. Kad tai įvyktų, sistemos kūrėjai turi kreiptis į brangesnes optines sistemas, pagrįstas telecentriniais lęšiais, kad galėtų atvaizduoti šias dalis. Daugelis priežasčių, kodėl reikia rinktis telecentrinius lęšius, paaiškėja dėl labiau įprastų lęšių sistemų apribojimų.

Pavyzdžiui, jei objektas net šiek tiek juda įprastos objektyvo sistemos lauko gylyje, pasikeis padidinimas. Anksčiau didinimo pokyčiai dėl objekto pasislinkimo buvo kalibruojami naudojant papildomą kamerą arba gylio jutiklį, stebintį atstumą tarp objektyvo ir objekto. Naudojant telecentrinį objektyvą, galima žymiai sumažinti ar net panaikinti tokius padidinimo pokyčius, todėl nereikalinga jokia papildoma kamera ir išankstinis vaizdo duomenų apdorojimas, kurio gali prireikti norint ištaisyti bet kokias didinimo klaidas.

Perspektyvines ar paralaksines klaidas taip pat galima pašalinti naudojant telecentrinius lęšius. Įprastose optinėse sistemose artimesni objektai atrodo santykinai didesni nei toliau esantys, nes objekto padidinimas keičiasi jo atstumui nuo objektyvo. Tačiau telecentriniai lęšiai optiškai ištaiso šią paralaksinę paklaidą, kad objektai išliktų to paties suvokiamo dydžio, nepriklausomai nuo konkretaus atstumo nuo lęšio.

234 (1)

Kai 3D objektams vaizduoti naudojama standartinė optika, tolimi objektai pasirodys mažesni nei toliau esantys objektai. Todėl, kai vaizduojamas objektas, pvz., Cilindrinė ertmė, viršutiniai ir apatiniai apskritimo kraštai atrodo koncentriški, o vidinės cilindro sienos vaizduojamos (įprasta optika elgiasi kaip žmogaus akys, žiūrėdamos į puodelį ar stiklinę). . Tačiau naudojant telecentrinę optiką apatinis kraštas ir vidinės sienos išnyksta, todėl telecentrinis lęšis suteikia 3D vaizdą 3D objektui, todėl mašinų regėjimo sistema veikia daugiau ar mažiau kaip CAD programinė įranga (žr. 1 pav.) ).

Didinimas keičiasi

Telecentrika apibrėžia, kaip keičiasi objekto padidinimo dydis regėjimo lauke (FOV), priklausomai nuo objekto atstumo. Taigi, esant tam pačiam FOV, objektai, vaizduojami su ilgu židinio nuotolio objektyvu, padidins mažiau nei tie, kurie vaizduojami naudojant trumpą židinio nuotolio objektyvą. Kadangi telecentriniai lęšiai veikia taip, tarsi židinio nuotolis būtų begalinis, padidinimas nepriklauso nuo objekto atstumo. Nors arčiau ar toliau nuo objektyvo judančių objektų židinys gali skirtis, objekto vaizdo dydis bus pastovus.

234 (2)

Konkretaus objektyvo telecentrikos laipsnis matuojamas pagrindiniu spinduliu arba telecentriniu kampu (žr. 2 pav.). Nors standartinių komercinių lęšių telecentriniai kampai gali būti 10 ° ar daugiau, telecentrinių lęšių pagrindiniai spindulių kampai yra mažesni nei 0,1 °. Norint pasiekti šį telecentrikos lygį, objektyvus elementas turi būti didesnis nei vaizduojamo objekto FOV, todėl tokie lęšiai yra didesni ir taip brangesni.

Rinkdamiesi telecentrinį objektyvą konkrečiai mašinų regėjimo programai, sistemos integratoriai turi suprasti tiek atskirų gamintojų vartojamą terminologiją, tiek kiekvieno objektyvo dizaino veikimo principus. Paprastai telecentriniai lęšiai tiekiami kaip objekto-erdvės, vaizdo-erdvės arba dvigubai arba dvitelecentriniai (žr. 3 pav.). Nors daugelis gamintojų siūlo tokio tipo lęšius, vaizdo ir erdvės telecentriniai lęšiai dažniau naudojami vaizdo projekcijos įrangoje ir retai - mašinų regėjimo programose.

234 (3)

Telecentriniuose lęšiuose pagrindinis įėjimo ar išėjimo mokinio centro spindulys yra lygiagretus optinei ašiai, vienoje ar abiejose lęšio pusėse, atsižvelgiant į tai, kuris lęšio tipas naudojamas. Mašinos regėjimo sistemose dažniausiai naudojami šie objektyvų tipai - objekto pusės telecentrinis. Šiuose projektuose pagrindiniai spinduliai yra lygiagretūs matuojamam objektui, o objektyvo sistema naudojama vaizdui fokusuoti į CCD arba CMOS kamerą. Kadangi objektyvai objektyvo pusėje yra tik telecentriniai, objektyvo elementų reikia mažiau nei naudojant dvitelecentrinius lęšius, todėl jų kaina yra mažesnė.

2 / 3- arba 1/2-in. formato jutiklius, „Edmund Optics“ siūlo dvi objektyvinių telecentrinių lęšių serijas savo „Techspec Gold“ serijoje. Nors 2/3 įėjimai. serijoje yra penki objektyvai, skirti naudoti su 2/3-in. ar mažesni jutikliai, 1/2-in. serijoje yra keturi objektyvai, skirti naudoti su 1/2 įvesties. ar mažesni jutikliai. 1/2-in. serija maksimaliai padidina lauko aprėptį, suderindama didžiausias 2/3-in FOV vertes. serija, leidžianti didesnius laukus su mažesnėmis kameromis. Šie lęšiai suteikia pastovų didinimą per apibrėžtą lauko gylį ir suteikia mažiau nei 0,2 ° telecentriką nurodytame darbiniame atstumo diapazone.

Objektų ir vaizdų erdvės

Siūloma daug objekto-erdvės telecentrinių lęšių su fiksuotu židinio nuotoliu. Tačiau kai kuriose mašininio matymo programose gali tekti optiškai padidinti nufotografuoto vaizdo dydį. Norėdami patenkinti šiuos poreikius, kai kurios kompanijos siūlo telecentrinius priartinimo objektyvus, kurie leidžia vartotojui pakeisti židinio nuotolį vaizdo vietoje, išlaikant objektyvo objektyvo pusėje telecentriką. Norėdami tai pasiekti, telecentrinės priartinimo lęšių sistemos turi automatiškai perkelti priekinę optiką ir sustojimą tarp priekinių ir galinių lęšių skirtingais greičiais. Kadangi šios objektyvų sistemos yra mechaniškai tobulesnės nei fiksuoto židinio nuotolio objektyvai, priartinimo telecentriką siūlo tik kelios įmonės.

Pavyzdžiui, „Navitar“ 12x telecentrinė priartinimo lęšių sistema suteikia telecentriką mažiau nei 0,3 ° tikslumu, išlaikant pastovų perspektyvą ir didinimą. Kai lauko aprėptis svyruoja nuo 50 iki 4 mm, esant 188 mm darbiniam atstumui, 12x telecentrikas suteikia reguliuojamą židinio nuotolį nuo 0,16x iki 1,94x padidinimo diapazono.

Kai kuriais atvejais, ypač atliekant didelio tikslumo matavimus, norint sumažinti optinių aberacijų ir geometrinių iškraipymų poveikį, reikia naudoti dvitelecentrinius lęšius, užtikrinančius telecentriką objekto ir vaizdo plokštumose. Kadangi dvigubų telecentrinių lęšių židinio nuotolis yra begalinis, FOV vaizdo dydis nesikeis dėl jutiklio padėties. Taigi dvitelecentriniai dizainai gali turėti didesnį lauko gylį ir didesnį diapazoną, per kurį vaizduojamas objektas gali judėti išlaikydamas tą patį padidinimą.

Tai ypač svarbu, nes CCD ir CMOS jutikliai ir toliau kuriami vis mažesniais pikseliais. Norėdami padėti sutelkti šviesą į atskirus taškus, vaizduoklių pardavėjai dabar į savo jutiklius įtraukia mikroląstelių matricas. Virš kiekvieno atskiro pikselio šie lęšiai yra efektyviausi, kai įeinantys šviesos spinduliai skiriasi 5 ° ar mažiau nuo įprasto. Dėl to dvitelecentriniai lęšiai, kur telecentrika yra objektyvo ir objekto objekto pusėje, gali efektyviau sutelkti įeinančią šviesą. Nors šie objektyvai yra brangesni nei vieno objekto telecentriniai objektyvai, jie padidina objekto matavimo tikslumą.

Kitas dvitelecentrinių lęšių privalumas yra net apšvietimas. Atsižvelgiant į tam tikrą spindulių kelią vaizdo erdvėje, kur spindulių kūgiai atsitrenkia į detektoriaus paviršių tuo pačiu nuolydžiu, pikseliai apšviečiami tuo pačiu intensyvumu per visą detektoriaus dydį. Ši funkcija nėra labai žinoma, tačiau gali būti labai naudinga toms programoms, kuriose turi būti kontroliuojamas spalvų homogeniškumas.

Objektyvus siūlo daugybė bendrovių, įskaitant „V-Plus Technologies“, „Navitar“, „Schneider Optics“ ir „Sill Optics“. Pavyzdžiui, „Schneider Optical“ dvišaliai telecentriniai „Xenoplan“ lęšiai yra skirti dirbti su 2/3 įvesties. formato CCD kameros ir turi reguliuojamus rainelės bei fokusavimo valdiklius. Šie fiksuoto židinio nuotolio objektyvai susideda iš penkių skirtingų modelių su fiksuotais padidinimais: 1: 1, 1: 2, 1: 3, 1: 4 ir 1: 5.

Kaip pabrėžia Rolfas Wartmannas iš „Schneider Optics“, kai dvitelecentriniai lęšiai nėra naudojami kaip tikslumo matavimo lęšiai, defokusuojant atsiranda asimetriniai ar dreifuojantys krašto vaizdai. Tai lemia netikslų kraštų aptikimą, todėl akivaizdžiai nepasiekiamas teoriškai galimas tikslumo laipsnis. Dvipusiai telecentriniai lęšiai neturi šių trūkumų, todėl leidžia priartėti prie teoriškai įmanomo tikslumo laipsnio (žr. Www.schneiderkreuznach.com/knowhow/telezentrie_e.htm).

Frenelio lęšiai

Objektų ir erdvių telecentrinių lęšių sistemos priekinis elementas turi būti bent jau tokio pat dydžio kaip FOV. Dėl šios priežasties įprastas objekto kosminis telecentrinis objektyvas, skirtas net 16 colių žiūrėjimui. laukas yra ir labai brangus, ir labai sunkus (žr. 4 pav.). Norėdami tai įveikti, tokios kompanijos kaip „LightWorks“ sukūrė telecentrinius lęšius, kuriuose yra „Fresnel“ lęšiai, siekiant sumažinti svorį, kainą ir ilgį. Fresnelio pagrindu pagaminti telecentriniai lęšiai dažniausiai suprojektuoti taip, kad priekinis Fresnelio formos elementas būtų panašus į išgaubtą arba plokščią įgaubtą lęšį, kuris yra supjaustytas siaurais žiedais ir išlygintas. Paprastai „Fresnel“ lęšis yra pagamintas iš plono, su grioveliais formuoto plastiko, o galinis elementas ar elementai suprojektuoti naudojant įprastą optiką.

234 (4)

Yra vienas didelis „Fresnel“ lęšių naudojimo kaip telecentrinės sistemos privalumas - juos galima sukonstruoti taip, kad tilptų daug didesni FOV, nei kitaip būtų praktiška ar net įmanoma. Praktinis įprasto telecentrinio objektyvo apribojimas greičiausiai yra maždaug nuo 12 iki 16 colių. „Light Works“ suprojektavo ir pastatė Fresnelio pagrindu sukurtas telecentrines sistemas net 42 colių FOV.

Nepaisant jų pranašumų, „Fresnel“ lęšiais pagrįstos sistemos yra ribotos. Kadangi „Fresnel“ lęšiai neturi spalvų korekcijos, geriausia juos naudoti su beveik monochromatine šviesa, pavyzdžiui, su LED šaltiniais. Priešingu atveju yra tikimybė, kad aplink vaizduojamus objektus atsiras spalvų pakraščių. Be to, palyginti su įprastais objektyvais, „Fresnel“ objektyvo vaizdo kokybė geriausiu atveju yra gera ir gali būti netinkamas pasirinkimas taikant labai tikslius matavimo prietaisus ar norint nustatyti nedidelius defektus. Šviesos nuostoliai nuo Fresnelio lęšio taip pat yra gana dideli dėl šviesos sklaidos ties lęšio grioveliais ir dėl to, kad ant paties lęšio trūksta atspindėjimo dangos. Nepaisant to, mažesnės skiriamosios gebos atveju Fecnelio pagrindu sukurtas telecentrinis objektyvas gali būti labai praktiškas ir ekonomiškas sprendimas.

234 (5)

Įdomu tai, kad „Canon“ teigia įveikusi problemas, susijusias su tokiais objektyvais, naudodama difrakcinės optikos (DO) technologiją, kurioje naudojami du viensluoksniai difrakciniai optiniai elementai, kurių difrakcinės grotelės sujungtos akis į akį (žr. 5 pav.). Dėl didesnio bangos ilgio vaizdas yra arčiau objektyvo dėl didelio difrakcinio kampo, o dėl trumpesnio bangos ilgio vaizdas susidaro toliau nuo objektyvo dėl mažesnio difrakcinio kampo, todėl DO elementų sujungimas su įprasta stiklo optika panaikina chromatines aberacijas (žr. „Canon“ Interneto svetainė). Deja, šios technologijos naudojimas dar neteko rasti telecentrinių objektyvų pagrindu.

Pericentrinė optika suteikia 360 ° vaizdą

Daugelis mašininio matymo sistemų yra naudojamos tikrinti daugiau nei vieną gabalo veidą, o daugeliu atvejų reikia 100% patikrinti cilindrinį arba sferinį paviršių. Anksčiau šie patikrinimai buvo atliekami naudojant daugybę kamerų, išdėstytų aplink detalę, kiekvienai kamerai fiksuojant tam tikros pusės ar kūrinio dalies vaizdą.

Deja, šis metodas padidina sistemos išlaidas dėl reikalingų kamerų skaičiaus. Be to, vaizduojamas objektas turi būti tiksliai išdėstytas, nes kiekviena kamera turi vaizduoti kūrinį tam tikru kampu. Norint įveikti šias problemas, buvo sukurti optiniai metodai, kad visų paviršiaus savybių vaizdui pasiekti reikalinga tik viena kamera.

234 (6)

Šie lęšiai yra vadinami pericentriniais, nes spindulių kelias objektyvo viduje - diafragmos vyzdys iš objekto erdvės matomas judant aplink priekinės optinės grupės periferinę zoną. Norint užfiksuoti priekinio daikto paviršiaus ir jį supančių šonų vaizdą, jiems reikalinga tik viena kamera. Kai objektyvas vaizduoja cilindrinį daiktą, tuo pačiu metu vaizduojami priekinis ir cilindro paviršiai.

Šio metodo, dažnai naudojamo tikrinant detales, pvz., Stiklinius butelius, aliuminio skardines ir kitas vartojimo prekių pakuotes, pranašumas yra tas, kad visas objekto savybes galima vaizduoti tame pačiame rėmelyje ir apdoroti vienu algoritmu, kad gautų plokščią cilindrinio paviršiaus vaizdavimas.