Преимущества телецентричности
Возможность быстро выполнять повторяемые и высокоточные измерения критически важна для максимизации производительности многих систем машинного зрения. Для таких систем телецентрический объектив позволяет получить максимально возможную точность. В этом разделе обсуждаются уникальные рабочие характеристики телецентрических объективов и то, как телецентричность может повлиять на производительность системы.
Нулевое угловое поле зрения: устранение ошибок параллакса
Обычные линзы имеют угловые поля зрения (AFOV), так что по мере увеличения расстояния между объективом и объектом увеличение уменьшается. Так ведет себя человеческое зрение и способствует его восприятию глубины. AFOV приводит к параллаксу, также известному как ошибка перспективы, который снижает точность, поскольку наблюдаемое измерение системы изменится, если объект перемещается (даже если он остается в пределах глубины резкости [DOF]) из-за изменения увеличения. Телецентрические объективы устраняют ошибку параллакса, характерную для обычных объективов, за счет постоянного неуглового поля зрения; на любом расстоянии от объектива телецентрический объектив всегда будет иметь одинаковое поле зрения. На рисунке показана разница между не телецентрическим и телецентрическим полем обзора.
Сравнение поля зрения обычного и телецентрического объектива
Постоянное поле зрения телецентрического объектива имеет как преимущества, так и ограничения для измерительных приложений. Основное преимущество телецентрического объектива заключается в том, что его увеличение не меняется по глубине. На следующем рисунке показаны два разных объекта на разных рабочих расстояниях (WD), отображаемые как объективом с фиксированным фокусным расстоянием (нетелецентрическим) (слева), так и телецентрическим объективом (справа). Следует обратить внимание, что на изображении, сделанном телецентрическим объективом, невозможно определить, какой объект находится дальше другого. С объективом с фиксированным фокусным расстоянием совершенно очевидно, что объект, который кажется меньше, расположен дальше от объектива.
Два куба кажутся разными по размеру из-за углового поля объектива
Хотя рисунок является резким с точки зрения смещения рабочего расстояния, он иллюстрирует важность минимизации ошибки параллакса. Многие задачи автоматизированного контроля – это визуализация объектов, которые перемещаются через поле зрения системы визуализации, и положение деталей редко бывает идеально повторяемым. Если рабочее расстояние не идентично для каждого объекта, отображаемого объективом, измерение каждого объекта будет отличаться из-за сдвига увеличения. Система машинного зрения, которая выводит разные результаты на основе ошибки калибровки увеличения (которая неизбежна при использовании объектива с фиксированным фокусным расстоянием), является ненадежным решением и не может использоваться, когда требуется высокая точность. Телецентрические объективы устраняют проблему ошибок измерения, которые в противном случае могли бы возникнуть из-за таких факторов, как вибрации или неточное расположение деталей.
Телецентрические объективы и глубина резкости
Распространенное заблуждение, что телецентрические объективы по своей природе имеют большую глубину резкости, чем обычные линзы. Хотя глубина резкости в конечном итоге определяется длиной волны и относительным отверстием объектива, правда, телецентрические линзы могут иметь большую используемую глубину резкости, чем обычные объективы, из-за симметричного размытия по обе стороны от наилучшего фокуса. По мере того, как проверяемая часть предмета перемещается к объективу или от нее, она будет следовать за AFOV (или главным лучом), связанным с ней. В нетелецентрическом объективе, когда объект перемещается в фокус и выходит из него, его часть асимметрично размывается из-за параллакса и изменения увеличения, связанного с его AFOV. Однако телецентрические объективы размываются симметрично, поскольку в поле зрения отсутствует угловая составляющая. На практике это означает, что такие элементы, как края, сохраняют свое положение центра масс; точное измерение все еще может быть выполнено, когда объект находится за пределами наилучшего фокуса, пока контраст остается достаточно высоким для правильного функционирования алгоритма, используемого системой машинного зрения.
Хотя это может показаться нелогичным, размытие можно выгодно использовать в некоторых приложениях с телецентрическими объективами. Например, если системе машинного зрения необходимо найти центральное положение штифта, как показано на рисунке, переход от белого к черному будет довольно резким, когда объектив находится в фокусе. Далее тот же штифт показан слегка расфокусированным.
Один и тот же штифт в фокусе и вне фокуса
Глядя на график уровней серого изображения из профиля линии, взятого по краю детали, наклон линии намного меньше для слегка расфокусированного изображения, поскольку край штифта распространяется на большее количество пикселей. Из-за симметричного размытия телецентрического объектива это размытие все еще можно использовать, поскольку центроид не сместился и количество необходимой субпиксельной интерполяции уменьшилось. Это снижает чувствительность к колебаниям уровня серого, вызванным шумом датчика, и позволяет более надежно и с большей повторяемостью определять положение центра штыря.
График, показывающий разницу в наклоне между сфокусированным и расфокусированным краем
