Obiektywy telecentryczne

TEMAT NUMERU
Obiektywy telecentryczne
Ekstremalne zwiększenie precyzji
wizyjnych aplikacji pomiarowych
Wykorzystanie technologii wizyjnych w aplikacjach pomiarowych jest bardzo popularne.
Ulepszone kamery, oprogramowanie i oświetlenie, oraz obiektywy telecentryczne
gwarantują precyzję pomiarów kontaktowych czy laserowych, a nawet ją przewyższają.
okładność pomiarowa systemu zależy głównie od
obiektywu i oświetlenia. Obiektywy entocentryczne
(standardowe) nie zawsze są dobrym wyborem dla systemu pomiarowego, ponieważ generują błędy optyczne
wpływające na dokładność pomiaru. Obecnie obiektywy telecentryczne stały się kluczowym elementem
systemów pomiarowych, gdyż znacznie zmniejszają,
a nawet likwidują błędy optyczne.
są bliżej kamery będą wydawać się większe, niż te
znajdujące się dalej.
Obrazy z obiektywu telecentrycznego dobrze odwzorowują wymiary, co pozwala na wykonanie bardzo dokładnego pomiaru. Główną cechą obiektywu
telecentrycznego jest duży zakres głębi ostrości, czyli
zdolności obiektywu do utrzymania dobrej ostrości
i stałego powiększenia w dużym zakresie zmian odległości roboczej.
Zniekształcenie obiektywu
Obiektywy entocentryczne obarczone są zniekształceniami promieniowymi lub trapezowymi sięgającymi
nawet kilkudziesięciu procent. Wysokiej jakości obiektywy telecentryczne wykazują bardzo niski poziom
zniekształceń (0,1 % lub mniej). Choć wartość ta wydaje
się bardzo mała, może prowadzić do znaczących błędów
pomiarowych i zniekształcenia muszą być kalibrowane
przez oprogramowanie.
Błędy perspektywy
W wielu aplikacjach wymagany jest pomiar przedmiotów o różnych kształtach i wymiarach. Jeżeli obiekty
są stosunkowo płaskie (np. płytki ogniw słonecznych),
pomiar odbywa się tylko w jednej płaszczyźnie.
Przesunięcia obiektu a zmiany powiększenia
Niepewność położenia elementu w stosunku do
obiektywu jest częstym problemem w zastosowaniach
przemysłowych. Przykładem może być pomiar śrub
transportowanych na przenośniku taśmowym. Pozycjonowanie śruby odbywa się z tolerancją kilku (kilkunastu) milimetrów, a wibracje obecne w środowisku
przemysłowym wprowadzają dodatkowe zaburzenia,
co powoduje, że nie ma gwarancji, że odległość śruby
od obiektywu (odległość robocza) pozostaje stała.
Oznacza to zmianę powiększenia obrazu, a co za tym
idzie różne wyniki pomiarowe. Analizując obrazy dwóch
identycznych śrub umieszczonych w różnej odległości
od kamery, można uzyskać różne wyniki: śruby, które
Fot. 1. Obraz dwóch identycznych śrub odległych od siebie o 100 mm: po
lewej zdjęcie wykonane przy użyciu standardowego obiektywu, po
prawej z użyciem obiektywu telecentrycznego
18
18
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2012
Fot. 2. Obraz cylindrycznego obiektu uzyskany przy użyciu zwykłego obiektywu (po lewej) i z użyciem obiektywu telecentrycznego (po prawej)
Zwykle detale mają pewną grubość, np. precyzyjne
części mechaniczne produkowane dla przemysłu motoryzacyjnego (wałki, zawory, tłoki i inne części silnika),
a także mniejsze elementy, jak sprężyny, śruby, nakrętki
i podkładki. Wyzwaniem dla zwykłego obiektywu jest
pomiar średnicy rury. Pomiar z użyciem obiektywu
entocentrycznego daje obraz nie tylko wewnętrznej
i zewnętrznej średnicy rury, ale również części jego
powierzchni wewnętrznej. Zjawisko to nazywa się błędem perspektywy i powoduje, że średnica wewnętrzna
rury nie może być dokładnie zmierzona.
Obraz rury w obiektywie telecentrycznym wygląda
jak płaski pierścień. Obiektyw telecentryczny pozbawiony jest błędów perspektywy (tworzy rzut 2D), dzięki
czemu widoczne są tylko krawędzie rurki. Tę zdolność
do wytwarzania obrazów 2D wyjaśnia specyficzny
bieg promieni światła w obiektywie telecentrycznym,
odbierającym tylko równolegle biegnące promienie
świetlne. Powierzchnia obiektu, która jest prostopadła
do promieni świetlnych, blokuje promienie i obrazowana jest jako czarny kształt 2D, podczas gdy reszta
obrazu jest szaro-biała (fot. 2).
TEMAT NUMERU
Słaba rozdzielczość obrazu
Obiektywy telecentryczne gwarantują uzyskanie większą rozdzielczość obrazu, co jest szczególnie wymagane
w pomiarze wysokiej jakości kolorowego druku, maski
fotolitograficznej, filtrów krwi, zliczaniu komórek i pomiarów detali mechanicznych. Powszechnym błędem
integratorów systemów wizyjnych jest stosowanie
drogich kamer o dużej rozdzielczości z tanimi obiektywami (o słabej rozdzielczości), co daje rozmyty obraz. Rozdzielczość obiektywów telecentrycznych jest
dostosowana do matryc o bardzo małych pikselach
oraz kamer wysokiej rozdzielczości, co zwiększa rozdzielczość pomiaru.
Fot. 3. Ława optyczna firmy Opto-Engineernig z obiektywem telecentrycznym, płytką kalibracyjną i oświetlaczem światła skolimowanego
Błędy pomiaru krawędzi na skutek
nieprawidłowego oświetlenia
Obiektywy telecentryczne zapewniają wysoką dokładność pomiaru, ale również ważny jest dobór oświetlenia, gdyż decyduje ono o ostrości krawędzi elementu
na obrazie.
W aplikacjach wizyjnych do podświetlenia detali
wykorzystywane są płaskie oświetlacze (ang. backlights) emitujące promienie świetlne skierowane na
przedmiot pod różnymi kątami. Promienie napotykając
obiekt, w zależności od kąta padania są pochłaniane lub
załamywane, albo (w przypadku materiałów półprzeźroczystych) częściowo przenikają przez powierzchnię
obiektu. Zjawisko to stwarza problemy w pomiarach
szklanych opakowań farmaceutycznych, fiolek, kapsułek
lub przewężeń szklanych opakowań napojów.
Aby wyeliminować błędy pomiaru krawędzi zaleca
się stosowanie oświetlaczy skolimowanych (telecentrycznych), czyli oświetlaczy punktowych z obiektywami
telecentrycznymi (fot. 3), wówczas światło wychodzące
z reflektora oświetlacza jest zbierane przez obiektyw
i dostarczane na detektor, przy czym tylko „oczekiwane”,
(biegnące równolegle) promienie trafiają na sensor
kamery. Nie pojawią się też problemy na ostrych krawędziach, nawet przy zmianach odległości przedmiotu od
Fot. 4. Obrazy plastikowego opakowania z wieczkiem z wykorzystaniem
obiektywu telecentrycznego i płaskiego podświetlenia (po lewej)
i z oświetlaczem telecentrycznym (po prawej)
źródła światła czy też obiektywu kamery, umożliwiając
niezwykle precyzyjne pomiary (fot. 4).
Obiektywy telecentryczne stosowane są w systemach
wizyjnych w przemyśle motoryzacyjnym, farmaceutycznym, opakowań i paneli słonecznych, oraz do kontroli
komponentów elektronicznych. Precyzyjnej kontroli
wymagają piny złącz, detale wytłaczane z blach itp.
Rezystory, tranzystory i układy scalone potrzebują
małej telecentrycznej optyki do kontroli integralności,
wymiarów oraz pozycji i kątów zagięcia końcówek.
dr Alena Verameyeva
OPTO ENGINEERING srl
mgr inż. Janusz Kopczyk
JAS Projektowanie Systemów Komputerowych
tel. +48 501 255 419
e-mail: [email protected]
www.systemyinspekcyjne.pl
Fot. JAS
REKL AMA
2/2012 Pomiary Automatyka Robotyka
19