Шеньчжень V-Plus Technologies Co., Ltd.

3D-зображення

Телецентричні лінзи роблять точні вимірювання

Телецентричні лінзи додають додатковий рівень точності системам машинного зору.

 234 (1)

Телецентричні лінзи додають додатковий рівень точності системам машинного зору.

Ендрю Вілсон, редактор

У багатьох системах машинного зору, таких як ті, що використовуються для перевірки напівпровідників, точні повторювані вимірювання повинні проводитися послідовно. Щоб це забезпечити, розробники систем повинні звернутися до більш дорогих оптичних систем на основі телецентричних лінз, за ​​допомогою яких можна зобразити ці деталі. Багато причин для вибору телецентричних лінз випливають із обмежень більш звичних систем лінз.

Наприклад, якщо об'єкт хоч трохи рухається в межах глибини різкості звичайної лінзової системи, відбудеться відповідна зміна збільшення. Раніше зміни збільшення через зміщення об’єкта калібрували за допомогою додаткової камери або датчика глибини, що відстежували відстань між лінзою та об’єктом. Використання телецентричного об'єктива може істотно зменшити або навіть усунути такі зміни збільшення, а отже, усунути необхідність у будь-якій додатковій камері та попередній обробці даних зображення, які в іншому випадку можуть знадобитися для виправлення помилок збільшення.

Помилки перспективи або паралакса також можна усунути, використовуючи телецентричні лінзи. У звичайних оптичних системах об'єкти, розташовані ближче, здаються порівняно більшими, ніж ті, що знаходяться далі, оскільки збільшення об'єкта змінюється із віддаленням його від лінзи. Однак телецентричні лінзи оптично коригують цю помилку паралакса, так що об'єкти залишаються однаково сприйманими розмірами, не залежно від конкретної відстані від лінзи.

234 (1)

Коли для зображення тривимірних об’єктів використовується стандартна оптика, віддалені об’єкти здаватимуться меншими, ніж ті, що віддалені. Як наслідок, коли зображується такий об’єкт, як циліндрична порожнина, верхні та нижні кругові краї здаються концентричними, а внутрішні стінки циліндра (звичайна оптика поводиться як людські очі, дивлячись всередину чашки або склянки) . Однак, використовуючи телецентричну оптику, нижній край і внутрішні стінки зникають, і тому телецентрична лінза дає двовимірний вигляд тривимірного об'єкта, завдяки чому система машинного зору працює більш-менш, як програмне забезпечення САПР (див. Рис. 1 ).

Зміни збільшення

Телецентричність визначає, як величина збільшення об’єкта в полі зору (FOV) змінюється залежно від відстані об’єкта. Таким чином, для того самого FOV об'єкти, що зображуються з об'єктивом з довгою фокусною відстанню, матимуть менші зміни збільшення, ніж ті, що зображуються з об'єктивом з короткою фокусною відстанню. Оскільки телецентричні лінзи діють так, ніби вони мають нескінченну фокусну відстань, збільшення не залежить від відстані до об’єкта. Хоча об'єкти, що рухаються ближче або далі від об'єктива, можуть різнитися у фокусі, розмір зображення об'єкта буде постійним.

234 (2)

Ступінь телецентричності конкретної лінзи вимірюється головним промінням або телецентричним кутом (див. Рис. 2). У той час як стандартні комерційні лінзи можуть мати телецентричні кути 10 ° і більше, телецентричні лінзи мають кути головних променів менше 0,1 °. Для досягнення такого рівня телецентричності об'єктивний елемент повинен бути більшим, ніж FOV об'єкта, який буде зображений, що робить такі лінзи більшими, а отже, і дорожчими.

Вибираючи телецентричну лінзу для конкретного застосування машинного зору, системні інтегратори повинні розуміти як термінологію, що використовується окремими виробниками, так і принципи роботи кожної конструкції лінз. Як правило, телецентричні лінзи постачаються у вигляді об'єкт-простору, простору зображення або подвійного або бі-телецентричного дизайну (див. Рис. 3). Хоча багато виробників пропонують такі типи лінз, телецентричні лінзи в просторі зображення частіше використовуються в обладнанні для проекції зображень і рідко в програмах машинного зору.

234 (3)

У телецентричних лінзах головний промінь через центр вхідної або вихідної зіниці паралельний оптичній осі, на одній або обох сторонах лінзи, залежно від того, який тип лінзи використовується. У системах машинного зору найчастіше з цих типів лінз використовується телецентрик з боку об'єкта. У цих конструкціях основні промені паралельні об'єкту, що вимірюється, а система лінз використовується для фокусування зображення на ПЗС-камеру або CMOS-камеру. Оскільки ці лінзи лише телецентричні на стороні об'єкта, потрібна менша кількість елементів лінзи, ніж у бітелецентричних лінз, що призводить до меншої вартості.

Для 2 / 3- або 1/2 дюйма. датчики формату, Edmund Optics пропонує дві серії телецентричних лінз з боку об'єкта у своїй Techspec Gold Series. Поки 2/3-дюймовий. Серія включає п'ять лінз для використання з 2/3-дюймовими. або менші датчики, 1/2 дюйма. Серія включає чотири лінзи для використання з 1/2 дюйма. або менші датчики. 1/2 дюйма. Серія максимізує охоплення поля шляхом узгодження найбільших значень FOV для 2/3-дюймових. серії, що дозволяє робити більші поля з меншими камерами. Ці лінзи дають постійне збільшення на певній глибині різкості та забезпечують телецентричність менше 0,2 ° у заданому діапазоні робочої відстані.

Об'єкти та зображення

Багато телецентричні об'єктиви в космічному просторі пропонуються з фіксованою фокусною відстанню. Однак у деяких програмах машинного зору може знадобитися оптично збільшити розмір захопленого зображення. Для задоволення цих потреб деякі компанії пропонують телецентричні зум-лінзи, які дозволяють користувачеві змінювати фокусну відстань у місці зображення, зберігаючи телецентричність на стороні об’єкта. Для цього телецентричні зум-об'єктиви повинні автоматично переміщувати фронтальну оптику та упор між передньою та задньою лінзами з різною швидкістю. Оскільки ці лінзові системи є більш досконалими в механічному плані, ніж лінзи з фіксованою фокусною відстанню, телецентрики зі збільшенням пропонуються лише декількома компаніями.

Наприклад, 12-кратна система телецентричного масштабування від Navitar забезпечує телецентричність з точністю до 0,3 °, зберігаючи постійну перспективу та збільшення. З охопленням поля від 50 до 4 мм на робочій відстані 188 мм, 12-кратний телецентрик забезпечує регульовані фокусні відстані в діапазоні збільшення від 0,16x до 1,94x.

У деяких випадках, особливо для високоточних вимірювань, для зменшення ефектів оптичних аберацій та геометричних спотворень повинні використовуватися бітелецентричні лінзи, що забезпечують телецентричність як в площині об’єкта, так і в зображенні. Оскільки подвійні телецентричні лінзи мають нескінченні фокусні відстані, розмір зображення не змінюватиметься в залежності від зони обертання через положення датчика. Таким чином, бітелецентричні конструкції можуть мати більшу глибину збільшення поля і більший діапазон, по якому об’єкт, що зображується, може рухатися, зберігаючи при цьому те саме збільшення.

Це особливо важливо, оскільки датчики CCD та CMOS продовжують розроблятися з меншими та меншими пікселями. Щоб допомогти сфокусувати світло на окремих пікселях, зараз постачальники візуалізаторів включають масиви мікролінз у свої датчики. Ці лінзи, розміщені над кожним окремим пікселем, є найбільш ефективними, коли промені світла, що надходять, розходяться на 5 ° або менше від норми. Через це бітелецентричні лінзи, де телецентричність існує як на об’єкті, так і на стороні зображення об’єктива, можуть ефективніше фокусувати вхідне світло. Хоча ці лінзи дорожчі, ніж одинарні телецентричні лінзи на боці об'єкта, вони підвищують точність вимірювання об'єкта.

Ще однією перевагою бітелецентричних лінз є рівномірне освітлення. Завдяки особливому шляху променів у просторі зображення, де конуси променів вражають поверхню детектора з однаковим нахилом, пікселі висвітлюються з однаковою інтенсивністю по всьому розміру детектора. Ця функція не дуже відома, але може бути дуже корисною для тих застосувань, де однорідність кольору потрібно контролювати.

Лінзи пропонуються низкою компаній, включаючи V-Plus Technologies , Navitar, Schneider Optics та Sill Optics. Наприклад, двосторонні телецентричні лінзи Xenoplan компанії Schneider Optical призначені для роботи з 2/3-дюймовими. форматують CCD-камери та мають регульовані елементи керування діафрагмою та фокусом. Ці лінзи з фіксованою фокусною відстанню складаються з п’яти різних моделей із фіксованим збільшенням: 1: 1, 1: 2, 1: 3, 1: 4 та 1: 5.

Як зазначає Рольф Вартман з Schneider Optics, коли бітелецентричні лінзи не використовуються як лінзи для точного вимірювання, при розфокусуванні виникають асиметричні або дрейфуючі крайові зображення. Це призводить до неточного виявлення країв, в результаті чого ступінь точності, яка теоретично можлива, явно не досягається. Двосторонні телецентричні лінзи не виявляють цих недоліків і, отже, дозволяють наблизитися до теоретично можливої ​​міри точності (див. Www.schneiderkreuznach.com/knowhow/telezentrie_e.htm).

Лінзи Френеля

Об'єктно-космічні системи телецентричних лінз повинні мати передній елемент, що має принаймні такий же розмір, як FOV. Через це звичайний предметний космічний телецентричний об'єктив для перегляду навіть 16-дюймового. поле є і дуже дорогим, і дуже важким (див. рис. 4). Щоб подолати це, такі компанії, як LightWorks, розробили телецентричні лінзи, які включають лінзи Френеля для зменшення ваги, вартості та довжини. Телецентричні лінзи на основі Френеля, як правило, розробляються з переднім елементом форми Френеля, що нагадує плоско-опуклу або плоско-увігнуту лінзу, яка розрізана на вузькі кільця і ​​сплющена. Зазвичай лінза Френеля виготовляється з тонкого шліфованого литого пластику, а задній елемент або елементи виконані за звичайною оптикою.

234 (4)

Є одна велика перевага використання лінз Френеля як частини телецентричної системи - вони можуть бути побудовані для розміщення набагато більших FOV, ніж це було б практично або навіть можливо. Практична межа звичайних телецентричних лінз, ймовірно, буде в діапазоні приблизно від 12 до 16 дюймів. Light Works спроектував і побудував телецентричні системи на основі Френеля для FOV розміром до 42 дюймів.

Незважаючи на свої переваги, системи на основі лінз Френеля обмежені. Оскільки лінзи Френеля не мають кольорової корекції, зазвичай найкраще використовувати їх із майже однотонним світлом, таким як світлодіодні джерела. В іншому випадку існує ймовірність появи кольорових смуг навколо зображуваних об’єктів. Крім того, у порівнянні зі звичайними лінзами, якість зображення від лінзи Френеля в кращому випадку є добросовісною і може бути не найкращим вибором у високоточних вимірювальних програмах або для виявлення невеликих дефектів. Втрати світла від лінзи Френеля також відносно великі через розсіювання світла на канавках лінзи та відсутність антивідбивних покриттів на самій лінзі. Тим не менше, для програм із нижчою роздільною здатністю телецентричний об'єктив на основі Френеля може бути дуже практичним та економічним рішенням.

234 (5)

Цікаво, що Canon стверджує, що подолала проблеми, пов’язані з такими лінзами, завдяки своїй технології дифракційної оптики (DO), яка використовує два одношарові дифракційні оптичні елементи, дифракційні решітки яких з’єднані один з одним (див. Рис. 5). Оскільки довші довжини хвиль формують зображення ближче до лінзи через великий кут дифракції, а коротші довжини хвиль формують зображення далі від лінзи через менший кут дифракції, приєднання елементів DO разом із звичайною скляною оптикою скасовує хроматичні аберації (див. Canon Веб-сайт). На жаль, використання цієї технології ще не знайшло свого шляху до конструкцій на основі телецентричних лінз.

Перицентрична оптика забезпечує огляд на 360 °

Багато систем машинного зору використовуються для огляду більш ніж однієї поверхні шматка, і в багатьох випадках необхідний 100% огляд циліндричної або сферичної поверхні. Раніше ці перевірки проводились із використанням безлічі камер, розміщених навколо деталі, причому кожна камера робила зображення певної сторони або частини шматка.

На жаль, такий підхід збільшує системні витрати через необхідну кількість камер. Крім того, об’єкт, що зображується, повинен бути точно розміщений, оскільки кожна камера повинна зображати фрагмент під певним кутом. Для подолання цих проблем були розроблені оптичні підходи, що для отримання зображення всіх особливостей поверхні потрібна лише одна камера.

234 (6)

Ці лінзи називаються перицентричними, оскільки шлях променів всередині об'єктива-апертура зіниці розглядається з простору предметів як переміщення навколо периферійної зони передньої оптичної групи. Для зйомки зображення як передньої поверхні предмета, так і оточуючих його сторін потрібна лише одна камера. Коли лінза зображує циліндричний предмет, одночасно знімається як передня поверхня, так і поверхня циліндра.

Перевага цього підходу, який часто використовується для огляду таких деталей, як скляні пляшки, алюмінієві банки та інша споживча упаковка, полягає в тому, що всі характеристики об'єкта можуть бути зображені в одному кадрі та оброблені за допомогою одного алгоритму для отримання подання циліндричної поверхні.