Выбор объектива системы технического зрения имеет очень большое значение

Система технического зрения расширяет возможности автоматического управления технологическими процессами, позволяя определять размер, позицию и ориентацию узлов на линии сборки. Однако для реализации всего потенциала таких систем большое значение имеет используемый объектив камеры.

Роль систем машинного зрения в управлении технологическими процессами продолжает расти, особенно в сферах робототехники, распознавания объектов и контроля качества. Современные системы технического зрения вышли за рамки стандартного процесса распознавания отдельного элемента в группе объектов и определения его расположения и теперь помогают выполнять более сложные операции, такие как перемещение предметов.

Для робототехнических систем, используемых при сборке или контроле большого количества предметов, например, в автомобильной промышленности и на линиях мониторинга, лента конвейера является контрольной точкой. На ней роботы выполняют две функции: идентификацию и перемещение.

Для большинства систем технического зрения освещение является одной из важнейших характеристик. Система должна обеспечивать высокую повторяемость данных, следовательно, для получения четкого изображения необходимо минимизировать вибрацию.

В линиях контроля больших партий продукции, например, в фармакологии, система технического зрения должна идентифицировать повреждение упаковки, нечитаемые этикетки и отсутствие медикаментов, быстро распознавать и проводить измерение квадратных, круглых и прямоугольных объектов с высокой точностью. Поддержка единообразного внешнего вида и цвета упаковки позволяет увеличить точность системы. В системах контроля пищевых продуктов размер, цвет, плотность и форма определяются многоэлементным обследованием объекта. Многоэлементные системы технического зрения могут иметь цветную и монохромную камеры, использовать структурное освещение для определения профиля и внутреннего состава продукта.

Хотя камера, программное обеспечение обработки изображения и освещение – важнейшие элементы системы технического зрения, возможно, самый критичный узел – формирующий изображение объектив. Для того чтобы система реализовала все свои возможности, объектив камеры должен соответствовать поставленной задаче. При выборе объектива, интеграторы систем технического зрения должны принимать во внимание четыре важнейших фактора:

  • Тип наблюдаемого объекта и его свойства;
  • Глубину резкости или фокуса
  • Расположение системы и наблюдаемых объектов;
  • Условия эксплуатации.

Анализ этих четырех характеристик позволяет выбрать объектив, идеально подходящий к конкретной задаче.

Свойства наблюдаемого предмета

Перед тем как выбрать объектив для системы технического зрения, системный интегратор должен знать, какой объект будет наблюдаться, и чем он будет окружен. Этот видимый участок называют полем зрения оптической системы, измеряемый как по диагонали, так и по горизонтали. Как правило, отношение между горизонтальным и вертикальным размерами поля зрения оптической системы составляет 4:3. Это отношение зависит от площади активной части матрицы камеры. Размер матрицы очень важен при определении значения величины увеличения объектива, от которой зависит площадь поля зрения оптической системы. Увеличение сенсора равно отношению размера матрицы к полю оптической системы и представляет собой «работу» выполняемую объективом, и эту величину необходимо учитывать при его выборе.

Увеличение объектива имеет большое значение при установке объектива на камеры с различными размерами матрицы; но увеличение объектива не следует путать с увеличением микроскопа, определяемого длиной оптической трубки и фокусным расстоянием объектива, не принимающего во внимание размер матрицы камеры.

Увеличение объектива – отношение изображения, получаемого матрицей, к реальному размеру наблюдаемого объекта.

Увеличение объектива – отношение изображения, получаемого матрицей, к реальному размеру наблюдаемого объекта.

Увеличение оптической системы (УОС) – произведение увеличения объектива на отношение размера монитора к размеру матрицы. Это – полное увеличение, от предмета до изображения на мониторе, "работа", выполненная всей системой. Увеличение оптической системы, имеет значение, когда необходимо оценить изображение наблюдаемого объекта на мониторе

Характеристики предмета также очень важны. Способность объектива распознать отдельные детали предмета зависит от контрастности этих деталей. Одним из способов определения разрешающей способности системы является использование решетки Ронки на мишени при проведении испытаний ВВС США. Эта решетка имеет одну пару линий – белую и черную одинаковой ширины. В качестве других целей могут использоваться круги или точечные сетки.

Способность объектива различить пару линий или точек определенной ширины в конкретных условия освещения характеризует разрешающую способность объектива. Разрешающая способность часто изображается графически модуляционно-передаточной функцией (MTF).

График отображает относительную контрастность при различной частоте расположения пары линий. Искривление, хроматическая аберрация и другие искажения фронта волны приводят к большему наклону графика в сравнении с идеальной ситуацией. Ограничение рабочих характеристик возникает также при дифракции световой волны. В спецификации объектива иногда указывают разрешающую способность в парах линий на миллиметр (пл/мм). Разделив это значение на 1000, вы получите приблизительную величину разрешения в микронах.

Для определения топографии поверхности обычно используется несколько камер и объективов, при этом необходимо знать степень искажения изображения объективом. Искажение (аберрация) – оптическая погрешность за счет объектива, вызывающая ухудшение качества изображения в различных точках. В приложениях для определения топографических характеристик часто используются лазерные лучи или другой источник освещения для обеспечения точности измерения. Некоторые программные продукты обработки изображений помогают компенсировать ряд искажений, вызванных объективом, например, искривление, и на изображении отображаются только необходимые топографические данные.

Большой формат и поле зрения объектива фотокамеры прекрасно подходят для использования в системах управления, благодаря высокому разрешению, низкому искажению и ограниченной хроматической аберрации. Широкое поле зрения оптической системы и совместимость с матрицами большого формата позволяют использовать такие объективы для проверки тканей, LCD-мониторов, пищевых продуктов и напитков.

Пространственные ограничения

Площадь, необходимая для установки автоматической системы технического зрения и линии сборки, может варьироваться от нескольких метров до размеров целого цеха. Рабочее расстояние – расстояние между объектом и передним краем объектива камеры при фокусировке изображения. Этот параметр налагает ограничения на площадь, необходимую системе технического зрения и оборудованию для совместной работы. В некоторых приложениях, таких как контроль состояния футеровки вакуумной печи, значение рабочего расстояния может изменяться в большом диапазоне, и функционирование системы обеспечивается использованием короткофокусных объективов или объективов видеомикроскопа с большим рабочим расстоянием. В других приложениях, таких как микроскопическое наблюдение с большим увеличением, рабочее расстояние составляет несколько сантиметров.

Рабочее расстояние может в определенных пределах изменяться с помощью перефокусировки объектива. Объективы с бесконечным расстоянием фокусировки могут фокусироваться от минимальной рабочей дистанции до бесконечности. Объективы с конечным расстоянием фокусировки имеют определенный рабочий диапазон.

Основные параметры объектива, определяющие характеристики изображения

Основные параметры объектива, определяющие характеристики изображения

Способ монтажа системы, включая защитное экранирование для тяжелых условий эксплуатации, должен позволять настраивать рабочее расстояние объектива. Например, во многих случаях, участок на объекте, рассматриваемый системой, может меняться по ходу выполнения обследования объекта. Для этого может потребоваться система технического зрения или компоненты, способные перенастраиваться для работы в различных условиях. Многие объективы поставляются со стабилизированными монтажными сборками, но если расстояние между объектом и объективом жестко ограничено, рабочее расстояние может быть изменено корректировкой расстояния между объективом и изображением.

Для этого могут использоваться два метода: трансфокация (масштабирование) или вставка промежуточных колец. Трансфокаторы настраивают поле зрения камеры, не изменяя рабочее расстояние. Некоторые системы масштабирования разделены на отдельные узлы, которые могут быть подобраны для использования в различных специфических условиях. Для метрологических приложений и микроскопии, требующих увеличения до микронов, эти объективы могут быть установлены совместно с микрообъективами. Трансфокаторы имеют высокое разрешение, но могут стоить достаточно дорого.

Промежуточные кольца являются более экономичным решением. Они уменьшают поле зрения объектива снижением рабочего расстояния. К сожалению, это приводит к возникновению искажений и снижению разрешающей способности, поэтому, за исключением необходимости подстройки расстояния менее чем на 5 мм или специальной конструкции объективов, промежуточные кольца не рекомендуются к использованию,

Глубина резкости

Рабочие характеристики оптической системы основаны на допустимой размытости изображения. Размытость возникает вследствие перемещения камеры относительно плоскости объекта. Глубина резкости определяет максимально допустимое смещение детектора и зависит от значения F-числа (диафрагменное число, F/#), определяющего количество света, которое попадает на матрицу. F-число увеличивается по мере закрытия отверстия объектива (апертуры). Закрытие апертуры (увеличение F-числа) увеличивает глубину резкости, но уменьшает количество света попадающего на матрицу, поэтому яркость света должна быть усилена для компенсации. Спецификация объектива с указанием глубины фокуса также должна содержать информацию о значение параметра F/#, при котором были проведены измерения.

От величины глубины резкости зависит размытость изображения при перемещении объекта. Глубина резкости – максимальное расстояние до объекта, при котором он целиком находится в фокусе. Она также определяет допустимое перемещение объекта (от наилучшего фокуса). При движении объекта ближе или дальше рабочей дистанции, он выпадает из фокуса, и в результате падает разрешающая способность и контраст изображения. По этой причине величина глубины резкости связана с определенной разрешающей способностью и контрастностью. Как и глубина фокуса, глубина резкости может быть увеличена с помощью закрытия апертуры объектива (увеличением F-числа); и также потребует усиления освещения.

Диапазон глубины резкости объектива зависит от эффективного фокусного расстояния, допустимого диаметра размытости изображения и номинального заднего фокусного расстояния. Некоторые объективы конструируются с возможностью гиперфокальности, это означает, что самая дальняя точка диапазона фокусировки располагается до бесконечности. Это условие часто выполняется в объективах с конечным фокусным расстоянием. Глубина резкости при этом достаточно большая и может быть изменена при помощи диафрагмы.

Телецентрические объективы не стоит путать с объективами с большой глубиной резкости. Такие объективы позволяют регулировать увеличение, тем самым, удаляя ошибку перспективы и, в результате, все объекты одного размера на изображении будут иметь одинаковую высоту, в независимости от расстояния до них. Сферой использования таких объективов являются системы осмотра печатных плат компьютера. Телецентрические объективы имеют несколько рабочих дистанций с конечной глубиной резкости в каждой точке рабочего расстояния, поэтому интеграторы должны принимать во внимание рабочее расстояние и глубину резкости при выборе телецентрических объективов.

В некоторых случаях, таких как осмотр труб, большая глубина резкости может обеспечиваться использованием многофокусных объективов. Многофокусные объективы аналогичны объективам с переменным фокусным расстоянием и применяются в случае, если фокусное расстояние необходимо изменять очень часто. Такие объективы очень часто моторизируются для плавного изменения фокальной плоскости. При выполнении поиска дефектов с помощью таких объективов, изменяющих фокусное расстояние, труба может быть просканирована по всей длине, от сектора к сектору. В отличие от объективов с переменным фокусным расстоянием, рабочее расстояние объектива также изменяется, поэтому может потребоваться юстировка прибора.

Роль условий эксплуатации

Наиболее важными параметрами условий эксплуатации для систем технического зрения являются отражательная способность, освещение, температура, вибрация и загрязнения. Диафрагмы, устанавливаемые в корпус камеры, и бленды (козырьки над камерой) могут снизить блики, вызванные рассеиванием света. Диафрагма – светонепроницаемый диск, с аккуратно центрованными отверстиями, обеспечивающими распространение света до матрицы в определенном направлении. Поляризованное и рассеянное излучение источника света помогает уменьшить количество точек отражения на предмете.

Освещение, особенно монохроматическое, может увеличить контраст предмета и улучшить качество изображения. Контраст особенно важен в случае использования одноцветной фотокамеры и может достигаться применением аддитивной или разностной технологий. При аддитивном методе монохроматический источник освещения и фильтр объектива фотокамеры соответствуют цвету предполагаемого объекта наблюдения. Участок вокруг предмета отражает или излучает свет и кажется более ярким, чем предмет. Эта методика может использоваться в приложениях, где гель или подкрашенная жидкость подсвечивается и исследуется на наличие отдельных частиц.

Наоборот, в разностной системе фильтр блокирует свет, отраженный областью вокруг предмета. В результате объект представляется более светлым, чем его окружение. Пример использования фильтров: контроль процесса изготовления таблеток, где цвет объекта, является единственной отличительной чертой

Проблемы может вызывать и высокая температура окружающей среды из-за температурного расширения оптических компонентов объектива. Не все объективы работают эффективно при изменении температуры, поэтому объективы с большим рабочим расстоянием являются лучшим решением при контроле горячих объектов.

Другой важный фактор – вибрация, влияние которой зачастую может быть снижено установкой объективов непосредственно на изолирующую пластину или стенд, вместо монтажа непосредственно в камеру. Тяжелые объективы часто поставляются с монтажными хомутами. Если объективы невозможно установить на стенд или пластину, объект, на который установлен объектив, можно монтировать на изоляционную платформу. Кронштейны, расположенные на изолированной платформе, являются наиболее часто используемым местом монтажа камер и объективов.

В промышленных условиях на поверхности объектива могут оказаться загрязняющие вещества, поэтому в оптике для работы в тяжелых условиях (harsh environment optics, HEO), сконструированной специально для получения высококачественных изображений, используют длительную экспозицию в жестких режимах эксплуатации. Поскольку оптика герметизирована, она может погружаться в жидкость, противостоять истиранию и коррозии, воздействию пыли и механических ударов.

Объективы фотокамеры имеют большое значение для систем технического зрения. Чтобы выбрать правильный объектив, интегратор системы технического зрения должен знать размер, характеристики и отражательную способность наблюдаемого предмета. Он также должен оценить рабочее расстояние и глубину резкости, необходимые для наблюдения объектов большой толщины. Если размер объекта и изображения меняются, инженеру необходимо предложить решение, обеспечивающее гибкость системы и не ухудшающее производительность. В тяжелых эксплуатационных условиях, выбранные объективы должны выдерживать изменения в условиях работы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *