Телецентрическая система подсветки
Проекты визуализации и контроля требуют высокоточных оптических компонентов и юстировки для достижения оптимальной производительности. В этих приложениях для проверки машинного зрения используются объективы для визуализации, источники освещения, камеры и механизмы, и это лишь некоторые ключевые компоненты. Выбор объектива и камеры является неотъемлемой частью успеха приложения; однако освещение также играет очень важную роль. Один из самых точных типов геометрии освещения – телецентрическое освещение. Что такое телецентрическое освещение? Как это может помочь достичь лучших результатов по сравнению со стандартной подсветкой? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо рассмотреть теорию освещения, преимущества и практическое применение.
Теория телецентрического освещения
В оптике телецентричность – это уникальное свойство некоторых конструкций многоэлементных объективов, в которых главные лучи коллимированы и параллельны оптической оси в пространстве изображения и предмета. Это приводит к постоянному увеличению независимо от изображения или местоположения объекта, что является ключевой характеристикой телецентричности. Телецентричность классифицируется по трем параметрам: пространство предмета, пространство изображения и двойное пространство.
Пример телецентричности, когда главные лучи параллельны оптической оси
В освещении также применима концепция, при которой световые лучи коллимированы и параллельны оптической оси. Так обстоит дело с телецентрическим осветителем. Телецентрические осветители, такие как телецентрический осветитель TECHSPEC®, используют оптику для направления света от волоконно-оптического световода или светодиода на проверяемый объект, создавая высококонтрастный силуэт. Телецентрический осветитель увеличивает контрастность краев и точность измерений за счет уменьшения диффузных отражений от объекта. Коллимированные световые лучи выходят из осветителя и остаются коллимированными при попадании на поверхность объекта. Напротив, световые лучи от стандартной подсветки расширяются и интерферируют друг с другом, создавая диффузные отражения.
Левое изображение – коллимированный световой луч от телецентрического осветителя. Правое изображение – диффузные отражения от стандартной подсветки
Как телецентрическое освещение создает высококонтрастный силуэт?
Телецентрические осветители работают за счет использования высококачественных стеклянных оптических линз для коллимирования света от волоконно-оптического световода или светодиодного прожектора. Свет, исходящий от источника, попадает в стеклянный блок, становясь параллельным и, следовательно, сильно концентрированным. Почти весь свет, попадающий в телецентрический осветитель (без учета обратного отражения и поглощения через каждую оптическую линзу), падает на исследуемый объект.
В чем секрет телецентрического освещения?
В сочетании с проектором на светодиодах и прицельной сеткой стандартный телецентрический объектив для формирования изображения может использоваться в качестве телецентрического осветителя. Как и в случае с обычным телецентрическим осветителем, свет, проходящий через телецентрический объектив, коллимируется, устраняя диффузные отражения при создании силуэта объекта. Однако, в отличие от телецентрического осветителя, дефекты светодиодного проектора могут быть обнаружены при использовании телецентрического объектива.
Плюсы и минусы телецентрической подсветки
Телецентрическое освещение идеально подходит для высокоточных измерений, когда точность, повторяемость и производительность являются ключевыми факторами успеха. Чтобы добиться наилучших результатов, нужно рассмотреть ключевые преимущества телецентрической подсветки:
- Превосходное обнаружение мелких дефектов;
- Повышенная точность и повторяемость измерений по сравнению со стандартной подсветкой;
- Устранение размытых краев из-за диффузных отражений;
- Повышенная интенсивность света от коллимированных световых лучей;
- Высококонтрастные изображения за счет устранения размытых краев и повышенной интенсивности света;
- Уменьшение времени выдержки камеры из-за повышенной интенсивности света;
- Более быстрые системы и более высокая пропускная способность по сравнению со стандартной подсветкой;
- Увеличено расстояние между объектом и источником освещения.
Однако телецентрические осветители могут иметь некоторые недостатки, например занимать много места, а иногда иметь высокую стоимость. Для более крупных объектов потребуются более крупные телецентрические осветители. Для приложений, где пространство или стоимость являются проблемой, коллимированная подсветка может быть лучшим вариантом. Коллимированная подсветка – это стандартная подсветка со встроенной пленкой для коллимирования света. Хотя они не работают так же хорошо, как телецентрические осветители, коллимированная подсветка менее диффузная, чем стандартная подсветка, и, таким образом, лучше устраняет размытые края, вызванные диффузными отражениями.
Пример применения
Хотя понимание теоретических основ телецентрического освещения – отличный первый шаг, анализ реального применения точной геометрии освещения поможет понять, почему это необходимо в приложениях машинного зрения.
Телецентрическое освещение
Один из примеров включает измерение и проверку диаметров резьбы на стойке из нержавеющей стали. Небольшой размер проверяемых объектов (10 мм) и необходимость измерения шага резьбы препятствуют визуальной сортировке. Первоначальная система, использованная для этого приложения, включала стандартную светодиодную подсветку перед телецентрическим объективом с увеличением 0.6X на ПЗС-камере 640x480 пикселей. Робот-подборщик перемещал детали с производственного поворотного стола в систему машинного зрения для получения изображения. Затем второй робот-сборщик использовал собранную информацию, полученную в результате сбора данных, для того чтобы определить детали в контейнеры для прошедших проверку или для брака.
Несмотря на то, что стандартная система подсветки хорошо спроектирована, она не могла проверять детали размером менее 10 мм и была ограничена 10 частями в минуту, в то время как 40 частей в минуту требовалось, чтобы не отставать от нового производственного процесса. Кроме того, низкая интенсивность излучения, создаваемая рассеянной светодиодной подсветкой, требовала времени экспозиции камеры 2.5 мс; новые скорости производственной линии позволяли 800 мкс для захвата изображения без размытия. Одно простое решение – увеличить настройку усиления камеры, чтобы уменьшить время экспозиции. Однако это увеличило отношение сигнал/шум в системе и снизило точность измерения.
Телецентрическая система подсветки и стандартная система подсветки
При замене диффузной светодиодной подсветки на телецентрическую подсветку TECHSPEC®, интенсивность света, падающего на резьбу, увеличилась, уменьшилось время экспозиции камеры и увеличился общий контраст изображения за счет уменьшения диффузных отражений.
В исходной системе диффузные отражения от подсветки создавали размытые края изображения. После замены на телецентрический осветитель края стали четкими, и стало намного легче определить, прошли объекты проверку или нет. Кроме того, заусенец на одной стороне резьбы был едва заметен при стандартной подсветке, но его легко обнаружить и измерить с помощью телецентрического осветителя. На графиках показаны значения контрастности телецентрической системы подсветки и стандартной системы подсветки. Более широкие впадины указывают на более высокий контраст, что приводит к повышению точности измерения.
Левое изображение – четкий силуэт края от телецентрической осветительной системы. Правое изображение – размытые края от стандартной системы подсветки.
Телецентрическая подсветка полезна для ряда приложений машинного зрения, включая высокоскоростную визуализацию, автоматизацию производства, создание силуэтов, а также обнаружение кромок и дефектов. Преимущества использования телецентрической подсветки имеют решающее значение для приложений, требующих высококонтрастных изображений без размытых краев, а также для высокоскоростной автоматизации.
