Шэньчжэнь V-Plus Technologies Co., Ltd.

3D-изображения

Телецентрические линзы делают точные измерения

Телецентрические линзы добавляют дополнительный уровень точности системам машинного зрения.

 234 (1)

Телецентрические линзы добавляют дополнительный уровень точности системам машинного зрения.

Эндрю Уилсон, редактор

Во многих системах машинного зрения, таких как те, которые используются при контроле полупроводников, точные и повторяемые измерения должны выполняться постоянно. Чтобы гарантировать это, разработчики систем должны обратиться к более дорогим оптическим системам на основе телецентрических линз для изображения этих частей. Многие причины выбора телецентрических объективов связаны с ограничениями более традиционных систем линз.

Например, если объект даже немного переместится в пределах глубины резкости обычной системы линз, произойдет соответствующее изменение увеличения. В прошлом изменение увеличения из-за смещения объекта калибровалось с помощью дополнительной камеры или датчика глубины, отслеживающего расстояние между объективом и объектом. Использование телецентрического объектива может существенно уменьшить или даже исключить такие изменения увеличения и, следовательно, устранить необходимость в какой-либо дополнительной камере и предварительной обработке данных изображения, которые в противном случае могут потребоваться для исправления любых ошибок увеличения.

Ошибки перспективы или параллакса также можно устранить с помощью телецентрических линз. В обычных оптических системах более близкие объекты кажутся относительно большими, чем более удаленные, потому что увеличение объекта изменяется в зависимости от расстояния до линзы. Однако телецентрические линзы оптически корректируют эту ошибку параллакса, так что объекты остаются того же воспринимаемого размера независимо от определенного расстояния от линзы.

234 (1)

Когда для изображения 3-D объектов используется стандартная оптика, удаленные объекты будут казаться меньше, чем те, что находятся дальше. Как следствие, при отображении такого объекта, как цилиндрическая полость, верхние и нижние круглые края кажутся концентрическими, а внутренние стенки цилиндра отображаются (обычная оптика ведет себя как человеческие глаза, когда смотрит внутрь чашки или стакана). . Однако при использовании телецентрической оптики нижний край и внутренние стенки исчезают, и поэтому телецентрическая линза дает двумерное изображение трехмерного объекта, благодаря чему система машинного зрения работает более или менее как программное обеспечение САПР (см. Рис. 1). ).

Изменения увеличения

Телецентричность определяет, как степень увеличения объекта в поле зрения (FOV) изменяется в зависимости от расстояния до объекта. Таким образом, для одного и того же поля зрения объекты, отображаемые с помощью объектива с большим фокусным расстоянием, будут демонстрировать меньшее изменение увеличения, чем объекты, отображаемые с помощью объектива с коротким фокусным расстоянием. Поскольку телецентрические линзы действуют так, как будто у них бесконечное фокусное расстояние, увеличение не зависит от расстояния до объекта. Хотя объекты, перемещенные ближе или дальше от объектива, могут различаться по фокусу, размер изображения объекта будет постоянным.

234 (2)

Степень телецентричности конкретного объектива измеряется главным лучом или телецентрическим углом (см. Рис. 2). В то время как стандартные коммерческие линзы могут иметь телецентрические углы 10 ° и более, телецентрические линзы имеют угол главного луча менее 0,1 °. Для достижения такого уровня телецентричности элемент объектива должен быть больше, чем поле обзора объекта, который нужно отобразить, что делает такие линзы больше и, следовательно, более дорогими.

Выбирая телецентрический объектив для конкретного приложения машинного зрения, системные интеграторы должны понимать как терминологию, используемую отдельными производителями, так и принципы работы, лежащие в основе конструкции каждой линзы. Как правило, телецентрические линзы поставляются в виде объектно-пространственного, изображения-пространственного, а также двойного или бителецентрического дизайна (см. Рис. 3). Хотя многие производители предлагают эти типы линз, телецентрические линзы для пространства изображения чаще используются в оборудовании для проецирования изображений и реже - в приложениях для машинного зрения.

234 (3)

В телецентрических линзах главный луч, проходящий через центр входного или выходного зрачка, параллелен оптической оси на одной или обеих сторонах линзы, в зависимости от того, какой тип линзы используется. В системах машинного зрения наиболее часто используемый из этих типов линз - телецентрический объектив со стороны объекта. В этих конструкциях главные лучи параллельны измеряемому объекту, а система линз используется для фокусировки изображения на камеру CCD или CMOS. Поскольку эти линзы являются телецентрическими только со стороны объекта, требуется меньше элементов объектива, чем с бителецентрическими линзами, что приводит к более низкой стоимости.

Для 2/3 или 1/2 дюйма. Edmund Optics предлагает две серии телецентрических объективов со стороны объекта в своей серии Techspec Gold. Хотя 2/3-дюйм. серия включает пять линз для использования с 2/3-дюймовым. или меньшие датчики, 1/2 дюйма. серия включает четыре линзы для использования с 1/2 дюйма. или меньшие датчики. 1/2 дюйма. серия максимизирует охват поля, сопоставляя самые большие значения FOV для 2/3 дюйма. серия, которая позволяет использовать большие поля с меньшими камерами. Эти объективы обеспечивают постоянное увеличение на определенной глубине резкости и обеспечивают телецентричность менее 0,2 ° в указанном диапазоне рабочих расстояний.

Пространства объектов и изображений

Многие телецентрические объективы для объектно-космических исследований предлагаются с фиксированным фокусным расстоянием. Однако в некоторых приложениях машинного зрения может потребоваться оптическое увеличение размера захваченного изображения. Чтобы удовлетворить эти потребности, некоторые компании предлагают телецентрические зум-объективы, которые позволяют пользователю изменять фокусное расстояние в месте изображения, сохраняя телецентричность на объектной стороне объектива. Для этого телецентрические системы с зум-объективами должны автоматически перемещать переднюю оптику и упор между передней и задней линзами с разной скоростью. Поскольку эти системы объективов более сложны с механической точки зрения, чем объективы с фиксированным фокусным расстоянием, телецентры с зумом предлагаются лишь немногими компаниями.

Например, 12-кратный телецентрический зум-объектив от Navitar обеспечивает телецентричность с точностью до 0,3 ° при сохранении постоянной перспективы и увеличения. Благодаря охвату поля от 50 до 4 мм при рабочем расстоянии 188 мм телецентрик с 12-кратным увеличением обеспечивает регулируемое фокусное расстояние в диапазоне увеличения от 0,16x до 1,94x.

В некоторых случаях, особенно для высокоточных измерений, необходимо использовать бителецентрические линзы, обеспечивающие телецентричность как в плоскости объекта, так и в плоскости изображения, чтобы уменьшить влияние оптических аберраций и геометрических искажений. Поскольку двойные телецентрические линзы имеют бесконечное фокусное расстояние, размер изображения не будет изменяться по полю поля зрения из-за положения датчика. Таким образом, бителецентрические конструкции могут иметь большую глубину резкости увеличения и больший диапазон, в котором отображаемый объект может перемещаться, сохраняя при этом то же увеличение.

Это особенно важно, потому что датчики CCD и CMOS продолжают разрабатываться с все меньшими и меньшими пикселями. Чтобы помочь сфокусировать свет на отдельных пикселях, поставщики тепловизоров в настоящее время включают в свои датчики массивы микролинз. Эти линзы, размещенные поверх каждого отдельного пикселя, наиболее эффективны, когда входящие световые лучи отклоняются на 5 ° или менее от нормы. Из-за этого бителецентрические линзы, в которых телецентричность существует как со стороны объекта, так и со стороны изображения, могут более эффективно фокусировать падающий свет. Хотя эти линзы более дороги, чем телецентрические линзы с одной стороны объекта, они повышают точность измерения объекта.

Еще одно преимущество бителецентрических объективов - равномерное освещение. Из-за особого пути лучей в пространстве изображения, где лучевые конусы падают на поверхность детектора с одинаковым наклоном, пиксели освещаются с одинаковой интенсивностью по всему размеру детектора. Эта функция не очень хорошо известна, но может быть очень полезна для тех приложений, где необходимо контролировать однородность цвета.

Линзы предлагаются рядом компаний, включая V-Plus Technologies , Navitar, Schneider Optics и Sill Optics. Например, двусторонние телецентрические линзы Xenoplan от Schneider Optical предназначены для работы с 2/3-дюймовыми линзами. форматировать камеры CCD и иметь регулируемые элементы управления диафрагмой и фокусом. Эти объективы с фиксированным фокусным расстоянием состоят из пяти различных моделей с фиксированным увеличением: 1: 1, 1: 2, 1: 3, 1: 4 и 1: 5.

Как указывает Рольф Вартманн из Schneider Optics, когда бителецентрические линзы не используются в качестве линз для точных измерений, при расфокусировке возникают асимметричные или дрейфующие края изображения. Это приводит к неточному обнаружению краев, в результате чего теоретически возможная степень точности явно не достигается. Двусторонние телецентрические линзы не имеют этих недостатков и, таким образом, позволяют приблизиться к теоретически возможной степени точности (см. Www.schneiderkreuznach.com/knowhow/telezentrie_e.htm).

Линзы Френеля

Системы телецентрических объективов для объектно-космического пространства должны иметь передний элемент размером не менее FOV. Из-за этого обычный телецентрический объектив для объектного космоса подходит для просмотра даже через 16 дюймов. поле одновременно очень дорогое и очень тяжелое (см. рис. 4). Чтобы преодолеть это, такие компании, как LightWorks, разработали телецентрические линзы, которые включают линзы Френеля, чтобы уменьшить вес, стоимость и длину. Телецентрические линзы на основе Френеля обычно имеют передний элемент формы Френеля, напоминающий плоско-выпуклую или плосковогнутую линзу, разрезанную на узкие кольца и сплющенную. Обычно линза Френеля изготавливается из тонкой формованной пластмассы с рифлением, а задний элемент или элементы имеют обычную оптику.

234 (4)

Есть одно большое преимущество использования линз Френеля как части телецентрической системы - они могут быть сконструированы так, чтобы приспособиться к гораздо большему FOV, чем это было бы практично или даже возможно. Практический предел обычного телецентрического объектива, вероятно, будет в диапазоне от 12 до 16 дюймов. Компания Light Works спроектировала и построила телецентрические системы на основе Френеля для полей зрения до 42 дюймов.

Несмотря на свои преимущества, системы на основе линз Френеля ограничены. Поскольку линзы Френеля не имеют цветокоррекции, обычно лучше использовать их с почти монохроматическим светом, например с источниками света LED. В противном случае существует вероятность появления цветных полос вокруг объектов изображения. Кроме того, по сравнению с обычными линзами качество изображения линзы Френеля в лучшем случае удовлетворительное и может быть не лучшим выбором для высокоточных измерений или для обнаружения мелких дефектов. Потери света линзой Френеля также относительно велики из-за рассеяния света на канавках линзы и отсутствия просветляющих покрытий на самой линзе. Тем не менее, для приложений с низким разрешением телецентрический объектив на основе Френеля может быть очень практичным и экономичным решением.

234 (5)

Интересно, что Canon утверждает, что преодолела проблемы, связанные с такими объективами, благодаря своей технологии дифракционной оптики (DO), в которой используются два однослойных дифракционных оптических элемента, дифракционные решетки которых соединены вместе лицом к лицу (см. Рис. 5). Поскольку более длинные волны формируют изображение ближе к объективу из-за большого угла дифракции, а более короткие волны формируют изображение дальше от объектива из-за меньшего угла дифракции, размещение элементов DO вместе с обычной стеклянной оптикой нейтрализует хроматические аберрации (см. Canon Веб-сайт). К сожалению, использование этой технологии еще не нашло своего пути в конструкциях телецентрических линз.

Перицентрическая оптика обеспечивает обзор на 360 °

Многие системы машинного зрения используются для проверки более чем одной поверхности детали, и во многих случаях требуется 100% проверка цилиндрической или сферической поверхности. Раньше эти проверки проводились с использованием массива камер, размещенных вокруг детали, причем каждая камера фиксировала изображение определенной стороны или части детали.

К сожалению, такой подход увеличивает стоимость системы из-за количества требуемых камер. Кроме того, отображаемый объект должен быть точно позиционирован, поскольку каждая камера должна отображать объект под определенным углом. Чтобы преодолеть эти проблемы, были разработаны оптические подходы, в которых требуется только одна камера для получения изображения всех характеристик поверхности.

234 (6)

Эти линзы называются перицентрическими из-за пути лучей внутри объектива - апертурный зрачок виден из пространства объекта как движущийся вокруг периферийной зоны передней оптической группы. Им требуется всего одна камера для захвата изображения как передней поверхности объекта, так и его окружающих сторон. Когда линза отображает цилиндрический объект, одновременно отображаются передняя поверхность и поверхность цилиндра.

Преимущество этого подхода, который часто используется для проверки таких деталей, как стеклянные бутылки, алюминиевые банки и другие упаковки потребительских товаров, заключается в том, что все особенности объекта могут быть отображены в одном кадре и могут быть обработаны с помощью единого алгоритма для получения плоского изображения. представление цилиндрической поверхности.