Izbira ustrezne leče za aplikacije strojnega vida

Uvod

Strojni vid je postal ključna sestavina sodobnih industrijskih in proizvodnih procesov, ki omogoča avtomatizacijo, kontrolo kakovosti in natančne preglede. Ključna komponenta vsakega sistema strojnega vida je leča, ki ima pomembno vlogo pri zajemanju jasnih in točnih slik za nadaljnjo analizo. Prava izbira leče je ključna za zagotavljanje skupne učinkovitosti in zmogljivosti aplikacije strojnega vida. V tem članku bomo raziskali ključne dejavnike pri izbiri leče za strojno vidno sistemiko ter različne tipe leč in njihove uporabe.

Ključni dejavniki pri izbiri leče

Polje videa (FOV)

Zorni kot je območje, ki ga lahko zajame kamera in objektiv. Določajo ga delovna razdalja (razdalja med objektivom in predmetom, ki se slikovno zajema) ter goriščna razdalja objektiva. Širši zorni kot je uporaben za aplikacije, ki zahtevajo nadzor večjega območja, kot so npr. industrijski pregledi v večjih merilnih enotah ali nadzorovanje. Na primer, v tovarni živilske embalaže je mogoče uporabiti objektiv s širokim zornim kotom za spremljanje celotne linije za pakiranje, da se zagotovi ustrezno pakiranje vseh izdelkov.

Resolucija

Ločljivost leče se nanaša na njeno zmožnost ločevanja drobnih podrobnosti v sliki. Za aplikacije, kjer so potrebna natančna merjenja ali odkrivanje majhnih lastnosti, so potrebne leče z visokim razločevalno sposobnostjo. Na primer v procesu proizvodnje polprevodnikov je za pregledovanje najmanjših vezij na silicijevi plošči potrebna leča z visoko ločljivostjo. Ločljivost leče je pogosto določena v črtah na milimeter (lp/mm). Višja vrednost lp/mm pomeni boljšo ločljivo lečo. Pomembno je, da prilagodite ločljivost leče ločljivosti kamere. Če ima leča nižjo ločljivost kot senzor, se ne bo izkoristila polna zmogljivost senzorja.

Globina ostalosti (DoF)

Dolžina prostorskega ostrostnega območja je razpon razdalj od objektiva, pri katerem predmeti v sliki ostajajo zadostno ostri. Veliko prostorsko ostrostno območje je koristno, ko so predmeti na različnih razdaljah od kamere ali kadar obstaja nekaj variacije v položaju predmeta. V sistemu za preverjanje 3D tiskanja, kjer lahko natisnjeni deli imajo različne višine, objektiv z velikim prostorskim ostrostnim območjem zagotavlja, da so vse dele predmeta ostri. Prostorsko ostrostno območje vpliva več dejavnikov, med drugim goriščna razdalja, velikost odprtine (aperture) in delovna razdalja. Na splošno krajša goriščna razdalja, manjša odprtina (višje število f) ter večja delovna razdalja povzročijo večje prostorsko ostrostno območje.

Izkrivljanje

Izkrivljanje v objektivu povzroči, da se slika predmeta z ravnimi črtami prikaže ukrivljeno. Obstajata dve glavni vrsti izkrivljanja: sodno izkrivljanje, kjer se slika na robovih zdi širiti navzven, in valjasto izkrivljanje, kjer se slika na robovih zdi krčiti navznoter. V aplikacijah, kjer so natančna geometrijska merjenja ključna, kot so metrolgija ali vodenje robotov, so objektivi z nizkim izkrivljanjem nujni. Na primer, v sistemu za izbiro z roko robota je potreben objektiv z minimalnim izkrivljanjem, da se natančno določi položaj in orientacija predmetov.

Delovna razdalja

Delovna razdalja je razdalja od sprednjega dela objektiva do predmeta, ki se slikanja. Določajo jo zahteve aplikacije. Nekatere aplikacije, kot je pregledovanje majhnih komponent na tiskanih vezjih, lahko zahtevajo kratko delovno razdaljo, medtem ko druge, kot je nadzorovanje velikih zunanje površin, potrebujejo dolgo delovno razdaljo. Delovna razdalja vpliva tudi na druge parametre objektiva, kot so vidni kot in globinsko ostro količino.

Montaža in združljivost

Objektiv mora biti združljiv s kamero, s katero se uporablja. Različne kamere imajo različne vrste priključkov, kot so C-priključek, CS-priključek ali F-priključek. Pomembno je zagotoviti, da objektiv ima pravi priključek, da bo varno pritrjen na kameri. Poleg tega naj bo objektiv združljiv z velikostjo senzorja kamere. Uporaba objektiva z malo svetlobno ploskvijo, ki je premajhna za senzor, lahko povzroči zatemnitev robov slike (vignettiranje) ali nepopolno pokritost senzorja.

Vrste strojno vizijskih objektivov

Fiksne - žariščne - dolžine leče

Objektivi s fiksno žariščno razdaljo, znani tudi kot primarna leča, imajo eno, nespremenljivo žariščno razdaljo. So relativno preprosti v zasnovi in pogosto ponujajo visoko optično zmogljivost glede ločljivosti in nizke izkrivljenosti. Te leče so primerne za aplikacije, kjer sta vidno polje in delovna razdalja fiksna. Na primer, v sistemu za branje črtnih kod na blagajni v trgovini z živili se lahko s fiksno žariščno razdaljo uporabita leča, da bi na določeno razdaljo posneli jasne slike črtnih kod.

Zoom leče

Povečevalne objektive uporabniku omogočajo spremembo goriščne razdalje, kar posledično spreminja tudi kot zornega polja. Zaradi tega so prilagodljivi za uporabe, kjer mora kamera zajemati različna območja ali predmete na različnih razdaljah. Pri varnostnem nadzornem sistemu je mogoče povečevalni objektiv prilagajati, da osredotoči pozornost na različne dele stavbe ali pa da sledi premikajočim se predmetom. Vendar povečevalni objektivi morda ne ponujajo enake ravni optične kakovosti kot objektivi s fiksno goriščno razdaljo, še posebej glede na ločljivost in popačenje.

Telecentrični lese

Telecentrični objektivi so zasnovani tako, da imajo konstantno povečavo, ne glede na razdaljo do predmeta v določenem območju. Zaradi tega so idealni za uporabe, ki zahtevajo natančna merjenja dimenzij, kot na primer pri kontroli kakovosti izdelanih delov. Na tovarniških linijah s preciznim obdelovanjem materialov se telecentrični objektivi uporabljajo za merjenje dimenzij obdelanih komponent z visokimi natančnostmi, saj odpravijo učinek perspektivnega popačenja.

Makro objektivi

Makro objektivi so optimizirani za posnetke v neposredni bližini in omogočajo visoke razmerje povečave. Uporabljajo se v aplikacijah, kjer je potrebno pregledati majhne predmete ali drobne podrobnosti, kot na primer pri pregledu nakita ali slikanju bioloških vzorcev. V proizvodnem procesu nakita lahko makro objektive uporabimo za pregled kompleksnih podrobnosti nastavitev dragocenih kamnov ali kakovost izdelave kovinskih delov.

Zaključek

Izbira ustrezne leče za aplikacijo strojnega vida je zapleten proces, ki vključuje upoštevanje več dejavnikov. S skrbnim ocenjevanjem vidnega polja, ločljivosti, globinskega ostrenja, popačenja, delovne razdalje, združljivosti montaže in okoljskih zahtev lahko inženirji in integratorji sistemov izberejo lečo, ki bo optimizirala zmogljivost sistema strojnega vida. Ne glede na to, ali gre za industrijsko avtomatizacijo, nadzor kakovosti ali znanstvene raziskave, prava izbira leče predstavlja ključ za pridobivanje natančnih in zanesljivih slikovnih podatkov za nadaljnjo analizo in odločanje.