Obiektywy telecentryczne. Ekstremalne zwiększenie precyzji wizyjnych aplikacji pomiarowych

Dokładność 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.

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.

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 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.

Błędy perspektywy

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

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.

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).

Słaba rozdzielczość obrazu

Fot. 2. Obraz cylindrycznego obiektu uzyskany przy użyciu zwykłego obiektywu (po lewej) i z użyciem obiektywu telecentrycznego (po prawej)

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.

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.

Fot. 3. Ława optyczna firmy Opto-Engineernig z obiektywem telecentrycznym, płytką kalibracyjną i oświetlaczem światła skolimowanego

Fot. 4. Obrazy plastikowego opakowania z wieczkiem z wykorzystaniem obiektywu telecentrycznego i płaskiego podświetlenia (po lewej) i z oświetlaczem telecentrycznym (po prawej)

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 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: office@dslplab.com.pl

www.systemyinspekcyjne.pl