اختيار العدسة المناسبة لتطبيقات الرؤية الآلية

مقدمة

أصبحت الرؤية الآلية جزءًا أساسيًا من العمليات الصناعية والتصنيع الحديثة، مما يتيح أتمتة المهام الخاصة بالتحكم في الجودة والتفتيش بدقة عالية. إن العدسة تُعد مكونًا أساسيًا في أي نظام رؤية آلية، حيث تلعب دورًا محوريًا في التقاط صور واضحة ودقيقة لتحليلها لاحقًا. اختيار العدسة الصحيحة ضروري لضمان الأداء الفعال والكامل للتطبيق الخاص بالرؤية الآلية. ستناقش هذه المقالة العوامل الرئيسية التي يجب مراعاتها عند اختيار عدسة للرؤية الآلية، إلى جانب أنواع مختلفة من العدسات وتطبيقاتها.

العوامل الرئيسية في اختيار العدسة

مجال الرؤية (FOV)

نطاق الرؤية هو المنطقة التي يمكن للكاميرا والعدسة التقاطها. ويتحدد هذا النطاق بالمسافة التشغيلية (المسافة بين العدسة والجسم المراد تصويره) وبطول بؤري للعدسة. يكون نطاق الرؤية الأوسع مفيدًا في التطبيقات التي تتطلب مراقبة منطقة كبيرة، كما هو الحال في الفحص الصناعي على نطاق واسع أو المراقبة الأمنية. على سبيل المثال، في مصنع تعبئة الأغذية، يمكن استخدام عدسة ذات نطاق رؤية واسع لمراقبة خط التعبئة بالكامل والتأكد من تغليف جميع المنتجات بشكل صحيح.

الدقة

يرتبط دقة العدسة بقدرتها على التمييز بين التفاصيل الدقيقة في الصورة. وتُعد العدسات ذات الدقة العالية ضرورية في التطبيقات التي تتطلب قياسات دقيقة أو اكتشاف ميزات صغيرة. فعلى سبيل المثال، في عملية تصنيع أشباه الموصلات، تكون هناك حاجة إلى عدسة ذات دقة عالية لفحص الدوائر الصغيرة الموجودة على رقاقة السليكون. وعادةً ما تُحدد دقة العدسة بوحدة الخطوط لكل مليمتر (lp/mm). ويشير القيمة الأعلى لـ lp/mm إلى عدسة أفضل من حيث الدقة. ومن المهم مطابقة دقة العدسة بدقة مستشعر الكاميرا. فإذا كانت العدسة أقل دقة من المستشعر، فلن يتم الاستفادة الكاملة من إمكانات المستشعر.

العمق البؤري (DoF)

مدى العمق هو نطاق المسافات من العدسة التي تظهر ضمنها الأجسام بشكل حاد مقبول في الصورة. يكون مدى العمق الكبير مفيدًا عندما تكون الأجسام على مسافات مختلفة من الكاميرا أو عندما يكون هناك بعض التغير في موقع الجسم. في نظام فحص الطباعة ثلاثية الأبعاد، حيث قد يختلف ارتفاع الأجزاء المطبوعة، يمكن للعدسة ذات مدى عمق كبير أن تضمن بقاء جميع أجزاء الجسم قيد التركيز. ويتأثر مدى العمق بعدة عوامل، منها البعد البؤري وحجم الفتحة والمسافة العملية. عمومًا، يؤدي البعد البؤري الأقصر، والفتحة الأصغر (رقم f الأعلى)، والمسافة العملية الأكبر إلى زيادة مدى العمق.

تشويه

تسبب التشويه في العدسة في ظهور صورة لجسم ذي خطوط مستقيمة بشكل منحنى. هناك نوعان رئيسيان من التشويه: تشويه البرميل (Barrel distortion)، حيث تبدو الصورة وكأنها منتفخة نحو الخارج عند الحواف، وتشويه الوسادة (Pincushion distortion)، حيث تبدو الصورة متقلصة نحو الداخل عند الحواف. في التطبيقات التي تكون فيها القياسات الهندسية الدقيقة ضرورية، مثل في علم قياسات الأبعاد (Metrology) أو توجيه الروبوتات، تكون العدسات ذات التشويه المنخفض ضرورية. على سبيل المثال، في نظام اختيار الذراع الروبوتية، تحتاج العدسة ذات التشويه الأدنى إلى تحديد موقع وتوجيه الأجسام بدقة.

مسافة العمل

المسافة البؤرية العاملة هي المسافة من مقدمة العدسة إلى الجسم الذي يتم تصويره. ويتم تحديدها وفقًا لمتطلبات التطبيق. قد تتطلب بعض التطبيقات، مثل فحص المكونات الصغيرة على لوحة الدوائر المطبوعة، مسافة بؤرية قصيرة، في حين أن تطبيقات أخرى، مثل مراقبة المناطق الخارجية الكبيرة، تحتاج إلى مسافة بؤرية طويلة. كما تؤثر المسافة البؤرية أيضًا على معايير العدسة الأخرى، مثل مجال الرؤية وعمق المجال.

التثبيت والتوافق

لا بد أن تكون العدسة متوافقة مع الكاميرا التي تُستخدم معها. تحتوي الكاميرات المختلفة على أنواع مختلفة من التركيبات، مثل تركيب C أو تركيب CS أو تركيب F. من المهم التأكد من أن العدسة تحتوي على التركيبة الصحيحة لتلائم الكاميرا بشكل آمن. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون العدسة متوافقة مع حجم مستشعر الكاميرا. يمكن أن يؤدي استخدام عدسة ذات دائرة صورة صغيرة جدًا بالنسبة للمستشعر إلى حدوث تعتيم (ظلام في زوايا الصورة) أو تغطية غير كاملة لسطح المستشعر.

أنواع عدسات الرؤية الآلية

عدسات ذات بُعد بؤري ثابت

العدسات ذات البُعد البؤري الثابت، والمعروفة أيضًا باسم العدسات الأولية، تحتوي على بُعد بؤري واحد غير متغير. وهي نسبيًا بسيطة في التصميم وغالبًا ما تقدم أداءً بصريًا عاليًا من حيث الدقة وقلة التشويه. تصلح هذه العدسات للتطبيقات التي يكون فيها مجال الرؤية والمسافة البؤرية ثابتين. على سبيل المثال، في نظام قراءة الباركود عند كاونتر محل بقالة، يمكن استخدام عدسة ذات بُعد بؤري ثابت لالتقاط صور واضحة للباركود على مسافة محددة.

عدسات زوم

تسمح عدسات الزوم للمستخدم بتغيير البعد البؤري، مما يغير مجال الرؤية. هذا يجعلها متعددة الاستخدامات في التطبيقات التي تحتاج فيها الكاميرا إلى التقاط مناطق أو أشياء مختلفة على مسافات متفاوتة. في أنظمة المراقبة الأمنية، يمكن تعديل عدسة الزوم لتركيزها على أجزاء مختلفة من المبنى أو لتتبع الأشياء المتحركة. ومع ذلك، قد لا توفر عدسات الزوم نفس مستوى الأداء البصري الذي توفره العدسات ذات البعد البؤري الثابت، خاصة من حيث الدقة والتشويش.

عدسات التيليسنتريك

تم تصميم العدسات التيلوسترينية بحيث يكون التكبير الخاص بها ثابتًا بغض النظر عن مسافة الجسم ضمن نطاق معين. هذا يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب قياسات أبعاد دقيقة، مثل ضبط جودة القطع المصنعة. في مصنع تشغيل دقيق، يمكن استخدام العدسات التيلوسترينية لقياس أبعاد المكونات المشغولة بدقة عالية، حيث تقوم بإلغاء تأثير التشويه المنظوري.

عدسات ماكرو

تتميز العدسات ماكرو بأنها مُحسَّنة لالتقاط الصور القريبة جدًا، ويمكنها تحقيق نسب تكبير عالية. وتُستخدم في التطبيقات التي تحتاج إلى فحص أشياء صغيرة أو تفاصيل دقيقة، مثل فحص المجوهرات أو تصوير العينات البيولوجية. وفي عملية تصنيع المجوهرات، يمكن استخدام العدسات ماكرو لفحص التفاصيل الدقيقة في تركيب الأحجار الكريمة أو جودة العمل المعدني.

خاتمة

إن اختيار العدسة المناسبة لتطبيق الرؤية الآلية عملية معقدة تتطلب أخذ عوامل متعددة بعين الاعتبار. من خلال تقييم دقيق لزاوية الرؤية، والدقة، وعمق المجال، والتشويه، والمسافة العملية، وتوافق التركيب، والمتطلبات البيئية، يمكن للمهندسين ومُركبي الأنظمة اختيار عدسة تُحسّن أداء نظام الرؤية الآلية. سواء كان الغرض هو الأتمتة الصناعية، أو التحكم في الجودة، أو البحث العلمي، فإن اختيار العدسة الصحيحة هو المفتاح للحصول على بيانات صورية دقيقة وموثوقة تُستخدم لتحليلها واتخاذ القرارات اللاحقة.