В точном машинном зрении линза может стать ограничивающим фактором, даже если датчик камеры и программное обеспечение для обработки изображений способны разрешать небольшие различия в размерах. Обычная линза меняет видимое увеличение по мере того, как объект приближается к линзе или удаляется от нее. Этот эффект перспективы означает, что измеренный диаметр отверстия, положение края или ширина механического компонента могут измениться на изображении, даже если физический размер не изменился.

Эта проблема становится более серьезной, когда детали не расположены на одинаковой высоте или когда на производственной линии неизбежны различия в расстоянии до объекта. Искажение изображения может стать еще одним источником ошибок измерения, особенно по краям поля зрения.

Телецентрическая линза устраняет эти ограничения за счет своей оптической геометрии. Контролируя траекторию главного луча, особенно со стороны объекта, он может поддерживать гораздо более стабильное увеличение в определенном диапазоне рабочих расстояний. При проверке размеров это делает оптическую систему менее чувствительной к небольшим изменениям положения объекта и обеспечивает более надежную основу для повторяемых измерений.

Как телецентрическая оптика улучшает измерение размеров

Основная причина использования телецентрического объектива заключается не просто в том, что он дает более четкое изображение. Его основным преимуществом является контроль того, как положение объекта влияет на изображение.

При использовании обычной линзы машинного зрения два одинаковых компонента, расположенные на разных расстояниях от линзы, могут иметь разные размеры. Это обычная перспективная проекция. Для таких приложений, как подсчет или общий контроль присутствия, такое изменение может быть приемлемым. Однако при измерении размеров это может напрямую повлиять на результат.

Телецентрическая линза в пространстве объекта использует оптическую схему, в которой главные лучи на стороне объекта примерно параллельны оптической оси. В результате размер бокового изображения становится существенно менее зависимым от небольших изменений расстояния до объекта в заданном рабочем диапазоне. Это особенно полезно при измерении диаметра отверстия, внешнего диаметра, ширины детали, положения кромки или размеров отформованных и обработанных деталей.

Поэтому телецентричность следует рассматривать вместе с увеличением. Указанное увеличение, например 0,5X или 1X, определяет взаимосвязь между размером объекта и размером изображения, а телецентричность определяет, насколько последовательно сохраняется эта взаимосвязь при изменении положения объекта.

Дисторсия – еще один важный параметр. Даже если номинальное увеличение является подходящим, геометрические искажения могут привести к появлению одного и того же объекта в разных видимых масштабах в зависимости от того, где он расположен в поле зрения. Поэтому телецентрическая оптика с низкими искажениями ценна для применений, где измерения проводятся на большой площади изображения, а не только в оптическом центре.

Глубина резкости также имеет значение. Деталь с изменением высоты может не оставаться в идеальном положении относительно номинальной рабочей плоскости. Большая полезная глубина резкости может помочь сохранить приемлемое качество изображения в этом варианте, хотя увеличение глубины резкости часто требует меньшей диафрагмы и может повлиять на доступные настройки освещения и экспозиции. Поэтому число F, интенсивность освещения, чувствительность датчика и требуемую скорость проверки следует рассматривать вместе.

Телецентрические конструкции в объектном пространстве, телецентрические в пространстве изображений и бителецентрические конструкции служат разным целям. Телецентричность пространства объекта особенно важна для проверки размеров, поскольку она уменьшает изменения увеличения, связанные с перспективой, на стороне объекта. Телецентричность пространства изображения контролирует геометрию главного луча по направлению к датчику и может быть полезна для требований к визуализации на стороне датчика. Бителецентрическая линза сочетает в себе телецентрическое поведение с обеих сторон и часто используется, когда требуется чрезвычайно стабильная геометрия изображения. Соответствующая архитектура зависит от допуска измерений, конфигурации датчика, оптического пути и механического устройства системы контроля.

Использование телецентрических линз в машинном зрении и прецизионном контроле

Практический вопрос заключается не просто в том, на что способны телецентрические линзы, а в том, когда они действительно нужны системе машинного зрения.

Телецентрическую линзу стоит рассмотреть, когда допуск измерения достаточно мал, и изменение размера, связанное с перспективой, становится значительным по сравнению с допустимой погрешностью. Это также полезно, когда детали не могут быть расположены на одной и той же высоте, когда необходимо измерить несколько элементов в относительно большом поле зрения или когда необходимо последовательно оценить геометрию кромок.

Например, для электронных компонентов проверка может включать измерение размеров корпуса, расстояния между выводами, геометрии разъема или положения мелких деталей. Обычная линза может вызывать видимые изменения размеров при изменении высоты компонента. Телецентрическая визуализация уменьшает влияние этого позиционного изменения, позволяя программному обеспечению для обработки изображений работать с более последовательным геометрическим представлением.

Проверка разъемов — еще одно распространенное применение. Положение штифта, размеры корпуса, размер отверстия и расположение краев можно оценить по одному изображению. Требуемое поле зрения должно быть достаточно большим, чтобы охватить весь компонент, сохраняя при этом достаточное разрешение в пространстве объекта для измерения даже самого маленького объекта. Поэтому выбор увеличения без учета размера датчика может привести к созданию неподходящей системы.

К прецизионным механическим деталям предъявляются аналогичные требования. Диаметр отверстия, внешний диаметр, ширина паза, положение фаски и размеры компонентов можно измерять более точно, когда оптическая система сводит к минимуму эффекты перспективы. Это особенно актуально для автоматизированного контроля, где тысячи деталей должны оцениваться с использованием одних и тех же критериев измерения.

Телецентрические линзы также используются при проверке полупроводников, проверке печатных плат, измерении стекла, проверке формованных деталей и автоматической сортировке по размерам. В таких случаях выбор объектива следует начинать с задачи измерения, а не только с камеры.

Ключевые параметры взаимосвязаны:

• Увеличение определяет, насколько большим будет объект на сенсоре.

• Поле зрения (FOV) определяет физическую область осмотра, захватываемую камерой.

• Рабочее расстояние (WD) определяет необходимое механическое пространство между объективом и объектом.

• Размер сенсора определяет, сможет ли объектив закрыть камеру без чрезмерного виньетирования или потери полезной площади изображения.

• Глубина резкости (ГРИП) определяет, насколько изменение высоты объекта может оставаться в пределах приемлемого диапазона изображения.

• Искажение влияет на геометрические измерения по полю.

• Число F влияет на глубину резкости, светопропускание и требования к экспозиции.

• Разрешение должно быть достаточным для мельчайших деталей и допусков измерений.

Например, для крупного компонента автоматически не требуется линза с малым увеличением. Правильный выбор зависит от размеров сенсора и требуемого поля зрения. Аналогичным образом, выбор объектива с достаточным разрешением, но недостаточным рабочим расстоянием или охватом сенсора может сделать всю оптическую систему непригодной.

Поэтому практический процесс выбора должен начинаться с размеров объекта, наименьшего измеряемого параметра, допустимой погрешности измерения, изменения высоты, требуемого рабочего расстояния, размера сенсора камеры и скорости проверки.

Что определяет цену телецентрической линзы?

Цена на телецентрические линзы значительно варьируется, поскольку оптическая система более требовательна, чем обычные линзы для машинного зрения. Поэтому сравнение цен только на основе увеличения или внешнего вида может ввести в заблуждение.

Одним из основных факторов является увеличение и поле зрения. Линза, предназначенная для относительно небольшого поля обзора, может потребовать оптической конфигурации, отличной от той, которая предназначена для покрытия большой площади контроля. Телецентрические системы с большим углом обзора могут потребовать более крупных оптических элементов и более сложных механических конструкций, что увеличивает как сложность производства, так и стоимость материалов.

Рабочее расстояние также влияет на дизайн. Большое рабочее расстояние может потребоваться, если система включает коаксиальное освещение, кольцевое освещение, механические приспособления или другие компоненты между линзой и проверяемой деталью. Для сохранения телецентрических характеристик при обеспечении более длинного WD могут потребоваться дополнительные оптические элементы и конструкция линз большего размера.

Совместимость датчиков является еще одним фактором стоимости. Объектив, предназначенный для сенсора большего размера, должен обеспечивать достаточно большой круг изображения, чтобы покрыть этот сенсор, сохраняя при этом необходимые оптические характеристики. Поэтому выбор камеры и выбор объектива следует рассматривать как одно решение по проектированию системы, а не как две независимые покупки.

Требуемый уровень телецентричности, контроля искажений и оптического разрешения также влияет на стоимость. Система контроля размеров с жесткими допусками измерений может потребовать существенно лучшего геометрического контроля, чем система контроля, используемая только для обнаружения присутствия или ориентации.

Кастомизация может еще больше повлиять на цену. Специальное увеличение, нестандартное рабочее расстояние, больший охват изображения, индивидуальные механические интерфейсы, особые спектральные требования или интеграция со специальным освещением могут потребовать оптической модернизации и дополнительной проверки.

По этой причине самый дешевый телецентрический объектив не обязательно является самым дешевым решением. Объектив с неподходящим покрытием сенсора или рабочим расстоянием может потребовать другой камеры, дополнительной оптики, механических изменений или пересмотренной системы освещения. Калибровка и системная интеграция могут привести к дополнительным затратам.

Более полезный подход к закупкам заключается в том, чтобы сначала определить требуемый допуск измерения, а затем определить необходимое увеличение, поле зрения, размер датчика, рабочее расстояние, глубину резкости, уровень искажений, F-число и телецентричность. Это позволяет покупателям не платить за характеристики, которые не способствуют выполнению задачи проверки, а также избежать занижения технических характеристик, что ставит под угрозу надежность измерений.

Подбор линзы к полной системе технического зрения

Телецентрическую оптику следует выбирать как часть полной измерительной системы. Разрешение камеры, формат сенсора, освещенность, геометрия крепления, метод калибровки и алгоритмы обработки изображений — все это влияет на конечный результат измерения.

Например, увеличение разрешения камеры не приводит к автоматическому повышению точности размеров, если объектив вносит чрезмерные искажения или если оптическое увеличение плохо соответствует требуемому углу обзора. Аналогичным образом, линза с высокой телецентричностью не может компенсировать недостаточное освещение, если контролируемый край не имеет достаточного контраста для надежного обнаружения края.

Именно здесь оптическая настройка становится важной для промышленного применения с нестандартными требованиями.

ECOPTIK исследует технологию изготовления оптических компонентов в течение 15 лет и производит прецизионные оптические компоненты, включая сферические линзы, купольную оптику, микрооптические компоненты, цилиндрические зеркала, фильтры, призмы и окна. Варианты материалов включают стекло от Schott, CDGM и Corning, а также сапфир, CaF₂, MgF₂, плавленый кварц, Si, ZnSe и ZnS. ECOPTIK также предоставляет услуги по сборке линз.

Для проверки и составления отчетов о продукции ECOPTIK использует оборудование, включая лазерные интерферометры ZYGO, ZEISS CMM Spectrum и Agilent Cary 7000 UMS. Эти возможности поддерживают оптическое тестирование и предоставляют отчеты об измерениях для индивидуальных оптических продуктов.

Для применения телецентрических линз ECOPTIK предлагает высокопроизводительные телецентрические линзы и индивидуальные решения для промышленного зрения и прецизионных измерений. Его подход к оптическому проектированию направлен на уменьшение неточностей измерений, связанных с изменениями угла обзора и искажениями изображения, за счет контролируемой телецентрической геометрии, стабильного изображения и настройки для конкретного приложения.

Для компаний, занимающихся машинным зрением, производителей прецизионного измерительного оборудования, интеграторов средств автоматизации и промышленных научно-исследовательских организаций, цель состоит не просто в покупке телецентрической линзы. Цель состоит в том, чтобы создать оптическую конфигурацию, в которой телецентричность, увеличение, поле зрения, рабочее расстояние, глубина резкости, искажение, размер датчика, F/# и допуск измерения работают вместе.

Это соотношение в конечном итоге определяет, подходит ли телецентрическая линза для данного применения и представляет ли ее цена эффективную инвестицию в полную измерительную систему.