شنژن V-Plus شرکت فناوری ، آموزشی ویبولیتین

تصویربرداری سه بعدی

لنزهای تله سانتریکس اندازه گیری های دقیق را انجام می دهند

لنزهای تله سانتریکس دقت فوق العاده ای را به سیستم های بینایی ماشین اضافه می کنند.

 234 (1)

لنزهای تله سانتریکس دقت فوق العاده ای را به سیستم های بینایی ماشین اضافه می کنند.

توسط اندرو ویلسون ، سردبیر

در بسیاری از سیستم های بینایی ماشین ، مانند مواردی که در بازرسی نیمه هادی استفاده می شود ، اندازه گیری های دقیق قابل تکرار باید به طور مداوم انجام شود. برای اطمینان از وقوع این امر ، توسعه دهندگان سیستم باید به سیستم های نوری گران تر مبتنی بر لنزهای دور مرکز که برای تهیه این قطعات از آنها استفاده می کنند ، روی بیاورند. بسیاری از دلایل انتخاب لنزهای دور مرکز از محدودیت های سیستم های لنز معمولی بیرون می آیند.

به عنوان مثال ، اگر جسمی حتی در عمق میدان یک سیستم عدسی معمولی حرکت کند ، یک تغییر بزرگنمایی مرتبط ایجاد می شود. در گذشته ، تغییرات بزرگنمایی ناشی از جابجایی جسم با استفاده از یک دوربین اضافی یا یک سنسور عمق برای ردیابی فاصله بین لنز و جسم کالیبره می شد. استفاده از لنز telecentric می تواند این تغییرات بزرگنمایی را به میزان قابل توجهی کاهش داده یا حتی از بین ببرد و بنابراین نیاز به هر دوربین اضافی و پیش پردازش داده های تصویر را که در غیر اینصورت برای اصلاح خطاهای بزرگنمایی مورد نیاز است ، برطرف می کند.

خطاهای پرسپکتیو یا اختلاف منظر را نیز می توان با استفاده از لنزهای دور مرکز از بین برد. در سیستم های نوری معمولی ، اجسام نزدیکتر نسبتاً بزرگتر از اجسام دورتر به نظر می رسند زیرا بزرگنمایی یک جسم با فاصله آن از عدسی تغییر می کند. با این حال ، لنزهای تله مرکز از نظر نوری این خطای اختلاف منظر را درست می کنند تا اشیا همان اندازه درک شده و مستقل از فاصله خاصی از لنز باقی بمانند.

234 (1)

هنگامی که از نوری استاندارد برای تصویربرداری از اشیا 3 3 بعدی استفاده می شود ، اجسام دوردست کوچکتر از اجسام دورتر به نظر می رسند. در نتیجه ، وقتی از جسمی مانند حفره استوانه ای تصویربرداری می شود ، به نظر می رسد لبه های دایره ای بالا و پایین متحدالمرکز هستند و دیواره های داخلی سیلندر نیز تصویربرداری می شود (اپتیک های معمولی هنگام نگاه کردن به داخل یک فنجان یا لیوان مانند چشم انسان رفتار می کنند) . با این حال ، با استفاده از اپتیک تله مرکز ، لبه پایین و دیواره های داخلی ناپدید می شوند و بنابراین لنز telecentric یک نمای 2-بعدی از یک جسم 3-D ایجاد می کند ، و باعث می شود سیستم بینایی ماشین تقریباً مانند نرم افزار CAD کار کند (شکل 1 را ببینید) )

بزرگ نمایی تغییر می کند

تله سانتریسیتی نحوه تغییر مقدار بزرگنمایی یک شی object در میدان دید (FOV) را با فاصله جسم تعریف می کند. بنابراین ، برای همان FOV ، اشیایی که با یک لنز با طول کانونی طولانی تصویربرداری می شوند نسبت به آنهایی که با یک لنز کوتاه فاصله کانونی تصویر می شوند ، تغییر بزرگنمایی کمتری دارند. از آنجا که لنزهای تله مرکز به گونه ای عمل می کنند که گویی فاصله کانونی نامحدود دارند ، بزرگنمایی از فاصله جسم مستقل است. اگرچه ممکن است در فوکوس اجسام نزدیک یا دورتر از لنز حرکت کنند ، اندازه تصویر جسم ثابت خواهد بود.

234 (2)

درجه تله سانتریسیته لنزهای خاص با اشعه اصلی یا زاویه telecentric اندازه گیری می شود (شکل 2 را ببینید). در حالی که لنزهای تجاری استاندارد ممکن است دارای زاویه های دور مرکز 10 درجه یا بیشتر باشند ، لنزهای telecentric دارای زاویه اشعه اصلی کمتر از 0.1 درجه هستند. برای دستیابی به این سطح از مرکزیت ، عنصر هدف باید بزرگتر از FOV جسمی باشد که باید تصویر شود ، باعث می شود که چنین لنزهایی بزرگتر و در نتیجه گران تر شوند.

در انتخاب یک لنز از راه دور برای یک برنامه خاص بینایی ماشین ، ادغام کننده های سیستم باید اصطلاحات مورد استفاده توسط تولیدکنندگان منفرد و اصول عملیاتی در پشت هر طراحی لنز را درک کنند. به طور کلی ، لنزهای تله مرکز به صورت جسم-فضای ، فضای تصویر ، یا طرح های مضاعف یا دو-دور از مرکز تهیه می شوند (شکل 3 را ببینید). در حالی که بسیاری از تولیدکنندگان این نوع لنزها را ارائه می دهند ، لنزهای تله سانتریک فضا-تصویر بیشتر در تجهیزات طرح ریزی تصویر و به ندرت در برنامه های دید در ماشین استفاده می شوند.

234 (3)

در لنزهای تله مرکز ، پرتو اصلی از مرکز مردمک ورودی یا خروجی موازی با محور نوری ، در یک یا هر دو طرف لنز است ، بسته به نوع لنز مورد استفاده. در سیستم های بینایی ماشینی ، بیشترین استفاده از این نوع لنزها مرکز سانترال سمت شی است. در این طرح ها ، اشعه های اصلی موازی با جسم مورد اندازه گیری هستند و از سیستم لنز برای تمرکز تصویر روی دوربین CCD یا CMOS استفاده می شود. از آنجا که این لنزها فقط در سمت جسم از راه دور هستند ، عناصر لنز کمتری نسبت به لنزهای دو تله مرکز نیاز دارند و در نتیجه هزینه کمتری دارند.

برای هر دو 2/3 یا 1/2 اینچ. سنسورهای قالب ، Edmund Optics در سری طلای Techspec دو سری لنزهای تله سانتریک سمت جانبی ارائه می دهد. در حالی که 2/3-in. این سری شامل پنج عدسی برای استفاده با 2/3-in است. یا سنسورهای کوچکتر ، 1/2-in. این مجموعه شامل چهار لنز برای استفاده با 1/2-in است. یا سنسورهای کوچکتر 1/2 اینچ مجموعه با مطابقت با بزرگترین مقادیر FOV برای 2/3-in پوشش میدان را به حداکثر می رساند. series ، که می تواند زمینه های بزرگتر با دوربین های کوچکتر را فراهم کند. این لنزها در یک عمق میدان تعریف شده از بزرگنمایی ثابت برخوردار بوده و کمتر از 0.2 درجه دور مرکزیت را در محدوده فاصله کاری مشخص ارائه می دهند.

فضاهای شی و تصویر

بسیاری از لنزهای تله سانتریس فضائی با فاصله کانونی ثابت ارائه می شوند. با این حال ، در برخی از برنامه های بینایی ماشین ممکن است لازم باشد اندازه تصویر گرفته شده به صورت نوری افزایش یابد. برای رفع این نیازها ، برخی از شرکت ها لنزهای زوم تله مرکز را ارائه می دهند که به کاربر امکان می دهد فاصله کانونی را در محل تصویر تغییر دهد و در عین حال از مرکز فاصله لنزها را از مرکز نگه دارد. برای دستیابی به این هدف ، سیستم های لنز زوم تله مرکز باید به طور خودکار اپتیک جلویی و توقف را بین لنزهای جلو و عقب با سرعت های مختلف حرکت دهند. از آنجایی که این سیستم های لنز از نظر مکانیکی پیچیده تر از لنزهای با کانونی ثابت هستند ، تنها چند شرکت زنگ زنی را ارائه می دهند.

به عنوان مثال ، سیستم بزرگنمایی لنز تله سانتریکس 12 برابر از Navitar ، از طریق مرکز ثابت نگه داشتن زاویه دید و بزرگنمایی ، در کمتر از 0.3 درجه دور مرکزیت را ارائه می دهد. با پوشش میدان از 50 تا 4 میلی متر در فاصله کار 188 میلی متر ، telecentric 12x فاصله کانونی قابل تنظیم را در محدوده بزرگنمایی 0.16x تا 1.94x فراهم می کند.

در بعضی موارد ، به ویژه برای اندازه گیری های با دقت بالا ، باید از لنزهای دو تله تمرکز که دور متحرک بودن را هم در جسم و هم در صفحه تصویر فراهم می کنند ، استفاده شود تا اثرات انحرافات نوری و تحریفات هندسی را کاهش دهد. از آنجایی که لنزهای دور سانتریکریک دوتایی فاصله کانونی بی نهایت دارند ، اندازه تصویر در FOV به دلیل موقعیت سنسور متفاوت نخواهد بود. بنابراین ، طرح های دو دور سانتریک می توانند دارای عمق میدان بزرگنمایی بزرگتر و دامنه بیشتری باشند که شی the مورد تصویربرداری می تواند حرکت کند در حالی که هنوز همان بزرگنمایی را حفظ کرده است.

این امر به ویژه از آنجا که سنسورهای CCD و CMOS با پیکسل های کوچکتر و کوچکتر توسعه می یابند بسیار مهم است. برای کمک به تمرکز نور بر روی پیکسل های منفرد ، فروشندگان تصویر ساز اکنون آرایه های میکرولن را بر روی سنسورهای خود گنجانده اند. این لنزها که روی هر پیکسل جداگانه قرار گرفته اند ، در مواقعی که پرتوهای نور ورودی 5 درجه یا کمتر از حالت عادی فاصله می گیرند ، بسیار م areثر هستند. به همین دلیل ، لنزهای دو تله مرکز ، جایی که telecentricity هم در جسم و هم در سمت تصویر لنز وجود دارد ، می توانند نور ورودی را به طور موثرتری متمرکز کنند. گرچه این لنزها نسبت به لنزهای تله سانتریکس مجزا در کنار شی گران ترند ، اما دقت اندازه گیری جسم را افزایش می دهند.

یکی دیگر از مزیت های لنزهای دو تله مرکز حتی روشنایی است. با توجه به مسیر خاص اشعه ها در فضای تصویر که مخروط های پرتو با همان شیب به سطح آشکارساز برخورد می کنند ، پیکسل ها با شدت یکسانی در تمام اندازه ردیاب روشن می شوند. این ویژگی خیلی شناخته شده نیست ، اما می تواند برای برنامه هایی که باید همگنی رنگ را کنترل کند ، بسیار مفید باشد.

لنزها توسط تعدادی از شرکت ها از جمله V-Plus Technologies , Navitar ، Schneider Optics و Sill Optics ارائه می شوند. به عنوان مثال لنزهای telecentric دو طرفه Xenoplan اشنایدر نوری برای کار با 2/3-in طراحی شده اند. با فرمت دوربین های CCD و قابلیت تنظیم عنبیه و کنترل فوکوس را دارند. این لنزهای ثابت کانونی از پنج مدل مختلف با بزرگنمایی های ثابت تشکیل شده اند: 1: 1 ، 1: 2 ، 1: 3 ، 1: 4 و 1: 5.

همانطور که رولف وارتمن از اشنایدر اپتیک خاطرنشان می کند ، وقتی از لنزهای دو تله تمرکز به عنوان لنزهای اندازه گیری دقیق استفاده نمی شود ، هنگام فوکوس کردن ، تصاویر نامتقارن یا لبه رانش دیده می شوند. این امر منجر به تشخیص نادرست لبه ها می شود ، در نتیجه به درستی درجه نظری که امکان پذیر است به وضوح بدست نمی آید. لنزهای دو طرفه از راه دور این نقایص را نشان نمی دهند و بنابراین امکان نزدیک شدن به درجه امکان نظری ممکن را فراهم می کند (به www.schneiderkreuznach.com/ Knowhow/telezentrie_e.htm مراجعه کنید).

لنزهای فرنل

سیستم های لنز تله سانتریس فضائی شیئی باید دارای عنصر جلویی باشند که حداقل به اندازه FOV باشد. به همین دلیل ، یک لنز telecentric فضایی جسم معمولی برای مشاهده حتی 16 اینچ است. فیلد هم بسیار گران است و هم بسیار سنگین (نگاه کنید به شکل 4). برای غلبه بر این مسئله ، شرکت هایی مانند LightWorks لنزهای تله سانتریکس تولید کرده اند که برای کاهش وزن ، هزینه و طول از لنزهای Fresnel استفاده می کنند. لنزهای تله سانتریکس مبتنی بر فرنل معمولاً با عنصر جلویی فرم Fresnel شبیه لنزهای صاف یا محدب یا مقعر که به صورت حلقه های باریک برش خورده و صاف می شوند ، طراحی می شوند. به طور معمول لنز فرنل از پلاستیک نازک و شیاردار ساخته شده و عنصر یا عناصر عقب با اپتیک معمولی طراحی شده اند.

234 (4)

استفاده از لنزهای فرنل به عنوان بخشی از یک سیستم از راه دور یک مزیت بزرگ دارد - می توان آنها را برای قرار دادن FOV های بسیار بزرگتر از آنچه عملی یا حتی ممکن است ساخته شود. محدودیت عملی یک لنز تله سانتریکال معمولی احتمالاً در محدوده 12 تا 16 اینچ است. Light Works سیستمهای تله سانتریک مبتنی بر Fresnel را برای FOVs به اندازه 42 اینچ طراحی و ساخته است.

سیستم های مبتنی بر لنز فرنل با وجود مزایایی که دارند ، محدود هستند. از آنجا که لنزهای فرنل تصحیح رنگی ندارند ، معمولاً بهتر است از آنها با نور تقریباً تک رنگ مانند منابع LED استفاده شود. در غیر این صورت ، احتمال ظهور حاشیه های رنگی در اطراف اشیا being به تصویر کشیده شده وجود دارد. همچنین ، در مقایسه با لنزهای معمولی ، کیفیت تصویر از لنز فرنل در بهترین حالت مناسب است و ممکن است در برنامه های اندازه گیری دقیق بسیار دقیق یا تشخیص نقص کوچک گزینه مناسبی نباشد. کاهش نور ناشی از لنز فرنل نیز به دلیل پراکندگی نور در شیارهای لنز و عدم وجود پوشش های ضد انعکاس روی خود لنز ، نسبتاً زیاد است. با این وجود ، برای کاربردهای با وضوح پایین تر ، یک لنز تله سانتریکس مبتنی بر Fresnel می تواند یک راه حل بسیار کاربردی و مقرون به صرفه باشد.

234 (5)

جالب اینجاست که کانن ادعا می کند که با فناوری نوری پراش (DO) خود ، که از دو عنصر نوری پراش تک لایه استفاده می کند که شبکه های پراش به صورت رو در رو به هم متصل شده اند ، بر مشکلات مرتبط با چنین لنزهایی غلبه کرده است. (شکل 5 را ببینید). از آنجا که طول موج های طولانی تر به دلیل زاویه پراش زیاد ، تصویری نزدیکتر به لنز را تشکیل می دهند و طول موج های کوتاه تر ، به دلیل زاویه پراش کوچکتر ، تصویری دورتر از لنز را تشکیل می دهند ، عناصر DO را بهمراه اپتیکال شیشه ای معمولی لغو انحرافات رنگی می کند (به Canon مراجعه کنید) سایت اینترنتی). متأسفانه ، استفاده از این فناوری هنوز نتوانسته است به طراحی مبتنی بر لنزهای دورمركز راه یابد.

اپتیک مرکز مرکز دید 360 درجه را ارائه می دهد

بسیاری از سیستم های بینایی ماشین برای بازرسی بیش از یک وجه قطعه مورد استفاده قرار می گیرند و در بسیاری از موارد بازرسی 100٪ از یک سطح استوانه ای یا کروی مورد نیاز است. در گذشته این بازرسی ها با استفاده از آرایه ای از دوربین ها که در اطراف قسمت قرار گرفته بودند ، انجام می شد و هر دوربین تصویری از یک طرف یا قسمت خاصی از قطعه را ثبت می کرد.

متأسفانه ، این روش هزینه های سیستم را به دلیل تعداد دوربین مورد نیاز افزایش می دهد. علاوه بر این ، شی object مورد تصویربرداری باید به طور دقیق قرار گرفته باشد ، زیرا هر دوربین باید قطعه را در یک زاویه خاص تصویر کند. برای غلبه بر این مشکلات ، رویکردهای نوری به گونه ای توسعه یافته اند که برای دستیابی به تصویری از تمام ویژگی های یک سطح ، فقط به یک دوربین نیاز است.

234 (6)

به این دلیل که مسیر اشعه ها در داخل هدف قرار دارند ، این لنزها مرکز مرکز نامیده می شوند - مردمک دیافراگم از فضای جسم در حال حرکت در اطراف ناحیه محیطی گروه نوری جلو دیده می شود. آنها برای گرفتن تصویر هم از سطح جلوی یک جسم و هم از طرفین اطراف آن فقط به یک دوربین نیاز دارند. هنگامی که لنز از یک جسم استوانه ای هم سطح جلو و هم سطح سیلندر به طور همزمان تصویر می کند.

مزیت این روش که اغلب برای بازرسی قطعاتی از قبیل بطری های شیشه ای ، قوطی های آلومینیومی و سایر بسته بندی های محصولات مصرفی استفاده می شود ، این است که تمام ویژگی های جسم را می توان در همان قاب تصویر کرد و می توان با یک الگوریتم واحد پردازش کرد تا یک تخت بدست آورد. نمایشی از سطح استوانه ای.