Shenzhen V-Plus Technologies Co. , Ltd.

การถ่ายภาพ 3 มิติ

เลนส์ Telecentric ทำการวัดได้อย่างแม่นยำ

เลนส์เทเลเซนตริกช่วยเพิ่มความแม่นยำอีกระดับให้กับระบบวิชันซิสเต็ม

 234 (1)

เลนส์เทเลเซนตริกช่วยเพิ่มความแม่นยำอีกระดับให้กับระบบวิชันซิสเต็ม

โดย Andrew Wilson บรรณาธิการ

ในระบบวิชันซิสเต็มจำนวนมากเช่นระบบที่ใช้ในการตรวจสอบเซมิคอนดักเตอร์ต้องทำการวัดซ้ำที่แม่นยำอย่างสม่ำเสมอ เพื่อให้แน่ใจว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นนักพัฒนาระบบจะต้องหันไปใช้ระบบออพติคอลที่มีราคาแพงกว่าโดยใช้เลนส์เทเลเซนตริกเพื่อสร้างภาพชิ้นส่วนเหล่านี้ เหตุผลหลายประการในการเลือกเลนส์เทเลเซนตริกเกิดจากข้อ จำกัด ของระบบเลนส์ทั่วไป

ตัวอย่างเช่นหากวัตถุเคลื่อนที่แม้แต่เล็กน้อยภายในระยะชัดลึกของระบบเลนส์ทั่วไปจะมีการเปลี่ยนแปลงการขยายที่เกี่ยวข้อง ในอดีตการเปลี่ยนแปลงการขยายเนื่องจากการกระจัดของวัตถุได้รับการปรับเทียบโดยใช้กล้องเพิ่มเติมหรือเซ็นเซอร์วัดความลึกติดตามระยะห่างระหว่างเลนส์กับวัตถุ การใช้เลนส์เทเลเซนตริกสามารถลดหรือกำจัดการเปลี่ยนแปลงการขยายดังกล่าวได้อย่างมากดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องใช้กล้องเพิ่มเติมและการประมวลผลข้อมูลภาพล่วงหน้าที่อาจจำเป็นเพื่อแก้ไขข้อผิดพลาดในการขยายใด ๆ

ข้อผิดพลาดของมุมมองหรือพารัลแลกซ์สามารถกำจัดได้ด้วยการใช้เลนส์เทเลเซนตริก ในระบบออพติคอลทั่วไปวัตถุที่อยู่ใกล้จะมีขนาดค่อนข้างใหญ่กว่าวัตถุที่อยู่ไกลออกไปเนื่องจากการขยายของวัตถุจะเปลี่ยนไปตามระยะห่างจากเลนส์ อย่างไรก็ตามเลนส์เทเลเซนตริกได้รับการแก้ไขทางออปติกสำหรับข้อผิดพลาดพารัลแลกซ์นี้เพื่อให้วัตถุยังคงมีขนาดที่รับรู้เท่าเดิมโดยไม่ขึ้นกับระยะทางที่เจาะจงจากเลนส์

234 (1)

เมื่อใช้เลนส์มาตรฐานในการถ่ายภาพวัตถุ 3 มิติวัตถุที่อยู่ห่างไกลจะมีขนาดเล็กกว่าที่อยู่ไกลออกไป ด้วยเหตุนี้เมื่อมีการถ่ายภาพวัตถุเช่นโพรงทรงกระบอกขอบวงกลมด้านบนและด้านล่างจะดูเหมือนเป็นศูนย์กลางและผนังด้านในของกระบอกสูบจะถูกถ่ายภาพ (เลนส์ทั่วไปจะทำงานเหมือนดวงตาของมนุษย์เมื่อมองเข้าไปในถ้วยหรือแก้ว) . อย่างไรก็ตามด้วยการใช้เลนส์เทเลเซนตริกขอบด้านล่างและผนังด้านในจะหายไปดังนั้นเลนส์เทเลเซนตริกจึงให้มุมมอง 2 มิติของวัตถุ 3 มิติทำให้ระบบวิชันซิสเต็มทำงานได้มากหรือน้อยเหมือนซอฟต์แวร์ CAD (ดูรูปที่ 1 ).

การขยายการเปลี่ยนแปลง

Telecentricity เป็นตัวกำหนดว่าปริมาณการขยายของวัตถุภายในมุมมอง (FOV) เปลี่ยนแปลงไปตามระยะวัตถุอย่างไร ดังนั้นสำหรับ FOV เดียวกันวัตถุที่ถูกถ่ายด้วยเลนส์ทางยาวโฟกัสยาวจะมีการเปลี่ยนแปลงการขยายน้อยกว่าที่ถ่ายด้วยเลนส์ทางยาวโฟกัสสั้น เนื่องจากเลนส์เทเลเซนตริกทำหน้าที่ราวกับว่ามีความยาวโฟกัสไม่สิ้นสุดการขยายจึงไม่ขึ้นอยู่กับระยะวัตถุ แม้ว่าวัตถุที่เคลื่อนเข้ามาใกล้หรือไกลจากเลนส์อาจโฟกัสแตกต่างกันไป แต่ขนาดภาพของวัตถุจะคงที่

234 (2)

ระดับความเทเลเซนตริกของเลนส์เฉพาะจะวัดได้จากมุมของรังสีเอกซ์หรือมุมเทเลเซนตริก (ดูรูปที่ 2) ในขณะที่เลนส์เชิงพาณิชย์มาตรฐานอาจมีมุมเทเลเซนตริกตั้งแต่ 10 °ขึ้นไป แต่เลนส์เทเลเซนตริกมีมุมเรย์หัวหน้าน้อยกว่า 0.1 ° เพื่อให้ได้ระดับความเทเลเซนตริกนี้องค์ประกอบวัตถุประสงค์ต้องมีขนาดใหญ่กว่า FOV ของวัตถุที่จะถ่ายทำให้เลนส์ดังกล่าวมีขนาดใหญ่ขึ้นและมีราคาแพง

ในการเลือกเลนส์เทเลเซนตริกสำหรับแอปพลิเคชันวิชันวิชันโดยเฉพาะผู้ประกอบระบบต้องเข้าใจทั้งคำศัพท์ที่ผู้ผลิตแต่ละรายใช้และหลักการปฏิบัติงานเบื้องหลังการออกแบบเลนส์แต่ละประเภท โดยทั่วไปแล้วเลนส์เทเลเซนตริกจะถูกจัดให้เป็นแบบ object-space, image-space หรือแบบทวีคูณหรือ bi-telecentric (ดูรูปที่ 3) ในขณะที่ผู้ผลิตหลายรายนำเสนอเลนส์ประเภทนี้ แต่เลนส์เทเลเซนตริกแบบเว้นวรรคภาพมักใช้ในอุปกรณ์การฉายภาพและไม่ค่อยมีในแอปพลิเคชันวิชันซิสเต็ม

234 (3)

ในเลนส์เทเลเซนตริกเรย์หัวหน้าผ่านตรงกลางของทางเข้าหรือรูม่านตาทางออกจะขนานกับแกนออปติคอลที่ด้านใดด้านหนึ่งหรือทั้งสองด้านของเลนส์ขึ้นอยู่กับชนิดของเลนส์ที่ใช้ ในระบบวิชันซิสเต็มเลนส์ประเภทนี้ที่ใช้บ่อยที่สุดคือเทเลเซนตริกด้านวัตถุ ในการออกแบบเหล่านี้รังสีหลักจะขนานกับวัตถุที่กำลังวัดและระบบเลนส์จะใช้เพื่อโฟกัสภาพไปยังกล้อง CCD หรือ CMOS เนื่องจากเลนส์เหล่านี้มีเฉพาะเทเลเซนตริกที่ด้านวัตถุจึงต้องใช้ชิ้นเลนส์น้อยกว่าเลนส์ไบเทเลเซนตริกทำให้ต้นทุนต่ำลง

สำหรับ 2 / 3- หรือ 1/2-in เซ็นเซอร์รูปแบบ Edmund Optics นำเสนอเลนส์เทเลเซนตริกด้านวัตถุสองชุดใน Techspec Gold Series ในขณะที่ 2/3-in. ซีรีส์ประกอบด้วยเลนส์ห้าตัวสำหรับใช้กับ 2/3-in หรือเซ็นเซอร์ขนาดเล็กกว่า 1/2 นิ้ว ซีรีส์ประกอบด้วยเลนส์สี่ตัวสำหรับใช้กับ 1/2-in หรือเซ็นเซอร์ขนาดเล็ก 1/2-in. ซีรีส์เพิ่มการครอบคลุมฟิลด์สูงสุดโดยการจับคู่ค่า FOV ที่ใหญ่ที่สุดสำหรับ 2/3-in ซีรีส์ซึ่งช่วยให้สามารถใช้งานช่องขนาดใหญ่ได้ด้วยกล้องขนาดเล็ก เลนส์เหล่านี้ให้กำลังขยายคงที่ในช่วงระยะชัดลึกที่กำหนดและให้ค่าเทเลเซนตริกน้อยกว่า 0.2 °ในช่วงระยะการทำงานที่ระบุ

ช่องว่างของวัตถุและรูปภาพ

เลนส์เทเลเซนตริกของพื้นที่วัตถุจำนวนมากมีทางยาวโฟกัสคงที่ อย่างไรก็ตามในแอพพลิเคชั่นวิชันซิสเต็มบางตัวอาจจำเป็นต้องเพิ่มขนาดของภาพที่ถ่าย เพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้ บริษัท บางแห่งเสนอเลนส์ซูมเทเลเซนตริกที่อนุญาตให้ผู้ใช้ปรับเปลี่ยนความยาวโฟกัสที่ตำแหน่งของภาพในขณะที่ยังคงรักษาระยะไกลที่ด้านวัตถุของเลนส์ เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ระบบเลนส์ซูมแบบเทเลเซนตริกจะต้องเลื่อนออปติกฟรอนต์เอนด์โดยอัตโนมัติและหยุดระหว่างเลนส์หน้าและเลนส์หลังในอัตราที่ต่างกัน เนื่องจากระบบเลนส์เหล่านี้มีความซับซ้อนทางกลไกมากกว่าเลนส์ทางยาวโฟกัสคงที่ บริษัท เพียงไม่กี่แห่งจึงมีการนำเสนอ Telecentrics แบบซูม

ยกตัวอย่างเช่นระบบเลนส์ซูมเทเลเซนตริก 12x จาก Navitar ให้ความสามารถในการเคลื่อนย้ายได้ภายในน้อยกว่า 0.3 °ในขณะที่ยังคงรักษามุมมองและการขยายคงที่ ด้วยระยะครอบคลุมตั้งแต่ 50 ถึง 4 มม. ที่ระยะการทำงาน 188 มม. เทเลเซนตริก 12x ให้ความยาวโฟกัสที่ปรับได้ในช่วงการขยาย 0.16x ถึง 1.94x

ในบางกรณีโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการวัดที่มีความแม่นยำสูงจะต้องใช้เลนส์ไบเทเลเซนตริกที่ให้ความเทเลเซนตริกทั้งในระนาบวัตถุและภาพเพื่อลดผลกระทบของความคลาดทางแสงและการบิดเบือนทางเรขาคณิต เนื่องจากเลนส์เทเลเซนตริกคู่มีทางยาวโฟกัสไม่ จำกัด ขนาดภาพจะไม่แตกต่างกันไปตาม FOV เนื่องจากตำแหน่งของเซ็นเซอร์ ดังนั้นการออกแบบ bi-telecentric จึงมีความชัดลึกในการขยายที่กว้างขึ้นและช่วงที่ใหญ่กว่าซึ่งวัตถุที่ถ่ายภาพสามารถเคลื่อนที่ได้ในขณะที่ยังคงอัตราการขยายเท่าเดิม

นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากเซ็นเซอร์ CCD และ CMOS ยังคงได้รับการพัฒนาโดยมีพิกเซลที่เล็กลงและเล็กลง เพื่อช่วยในการโฟกัสแสงไปยังพิกเซลแต่ละจุดขณะนี้ผู้จำหน่ายอิมเมจจึงรวมอาร์เรย์ไมโครเลนส์เข้ากับเซ็นเซอร์ของตน วางไว้เหนือแต่ละพิกเซลเลนส์เหล่านี้จะมีประสิทธิภาพสูงสุดเมื่อรังสีของแสงที่เข้ามาแตกต่างจากปกติ 5 °หรือน้อยกว่า ด้วยเหตุนี้เลนส์ไบเทเลเซนตริกซึ่งมีความเทเลเซนตริกอยู่ทั้งด้านวัตถุและด้านภาพของเลนส์จึงสามารถโฟกัสแสงที่เข้ามาได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น แม้ว่าเลนส์เหล่านี้จะมีราคาแพงกว่าเลนส์เทเลเซนตริกด้านวัตถุชิ้นเดียว แต่ก็เพิ่มความแม่นยำในการวัดวัตถุ

ข้อดีอีกอย่างของเลนส์ bi-telecentric คือการส่องสว่าง เนื่องจากเส้นทางเฉพาะของรังสีในพื้นที่ภาพที่กรวยเรย์กระทบพื้นผิวของเครื่องตรวจจับด้วยความเอียงเท่ากันพิกเซลจึงส่องสว่างด้วยความเข้มเท่ากันในทุกขนาดของเครื่องตรวจจับ คุณสมบัตินี้ไม่เป็นที่รู้จักมากนัก แต่มีประโยชน์มากสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องควบคุมความสม่ำเสมอของสี

บริษัท หลายแห่งนำเสนอเลนส์เช่น V-Plus Technologies, Navitar, Schneider Optics และ Sill Optics ตัวอย่างเช่นเลนส์เทเลเซนตริกแบบทวิภาคี Xenoplan ของ Schneider Optical ได้รับการออกแบบให้ทำงานร่วมกับ 2/3-in ฟอร์แมตกล้อง CCD และมีม่านตาปรับได้และตัวควบคุมโฟกัส เลนส์ทางยาวโฟกัสคงที่เหล่านี้ประกอบด้วยห้ารุ่นที่แตกต่างกันพร้อมกำลังขยายคงที่: 1: 1, 1: 2, 1: 3, 1: 4 และ 1: 5

ดังที่ Rolf Wartmann จาก Schneider Optics ชี้ให้เห็นเมื่อไม่ได้ใช้เลนส์ bi-telecentric เป็นเลนส์วัดความแม่นยำภาพที่ไม่สมมาตรหรือขอบลอยจะเกิดขึ้นเมื่อพร่ามัว สิ่งนี้นำไปสู่การตรวจจับขอบที่ไม่ถูกต้องซึ่งผลที่ได้คือระดับความแม่นยำที่เป็นไปได้ในทางทฤษฎีนั้นไม่สามารถบรรลุได้อย่างชัดเจน เลนส์เทเลเซนตริกแบบทวิภาคีไม่แสดงข้อบกพร่องเหล่านี้ดังนั้นจึงสามารถเข้าใกล้ระดับความแม่นยำที่เป็นไปได้ในทางทฤษฎี (ดู www.schneiderkreuznach.com/knowhow/telezentrie_e.htm)

เลนส์ Fresnel

ระบบเลนส์เทเลเซนตริกของ Object-space ต้องมีองค์ประกอบด้านหน้าที่ใหญ่เท่ากับ FOV เป็นอย่างน้อย ด้วยเหตุนี้เลนส์เทเลเซนตริกของพื้นที่วัตถุทั่วไปจึงสามารถรับชมได้แม้กระทั่ง 16 นิ้ว สนามมีทั้งราคาแพงมากและหนักมาก (ดูรูปที่ 4) เพื่อเอาชนะสิ่งนี้ บริษัท ต่างๆเช่น LightWorks ได้พัฒนาเลนส์เทเลเซนตริกที่ใช้เลนส์ Fresnel เพื่อลดน้ำหนักต้นทุนและความยาว เลนส์เทเลเซนตริกที่ใช้ Fresnel มักได้รับการออกแบบโดยให้องค์ประกอบด้านหน้าของรูปแบบ Fresnel ซึ่งมีลักษณะคล้ายกับเลนส์พลาโนนูนหรือพลาโน - เว้าที่ตัดเป็นวงแหวนแคบและแบนออก โดยทั่วไปเลนส์ Fresnel ทำจากพลาสติกขึ้นรูปแบบบางและชิ้นส่วนด้านหลังหรือชิ้นส่วนได้รับการออกแบบด้วยเลนส์ทั่วไป

234 (4)

มีข้อดีอย่างหนึ่งของการใช้เลนส์ Fresnel ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของระบบ telecentric นั่นคือสามารถสร้างขึ้นเพื่อรองรับ FOV ที่มีขนาดใหญ่กว่าที่จะใช้งานได้จริงหรือเป็นไปได้ ข้อ จำกัด ในทางปฏิบัติของเลนส์เทเลเซนตริกทั่วไปน่าจะอยู่ในช่วงประมาณ 12 ถึง 16 นิ้ว Light Works ได้ออกแบบและสร้างระบบเทเลเซนตริกที่ใช้ Fresnel สำหรับ FOV ที่มีขนาดใหญ่ถึง 42 นิ้ว

แม้จะมีข้อดี แต่ระบบที่ใช้เลนส์ Fresnel ก็มีข้อ จำกัด เนื่องจากเลนส์ Fresnel ไม่มีการแก้ไขสีจึงควรใช้กับแสงสีเดียวเช่นแหล่งกำเนิดแสง LED มิฉะนั้นจะมีความเป็นไปได้ที่จะเกิดขอบสีรอบ ๆ วัตถุที่กำลังถ่ายภาพ นอกจากนี้เมื่อเทียบกับเลนส์ทั่วไปคุณภาพของภาพจากเลนส์ Fresnel ยังอยู่ในระดับที่ยุติธรรมที่สุดและอาจไม่ใช่ทางเลือกที่ดีในการใช้งานการวัดที่มีความแม่นยำสูงหรือสำหรับการตรวจจับข้อบกพร่องเล็ก ๆ การสูญเสียแสงจากเลนส์ Fresnel นั้นค่อนข้างมากเนื่องจากแสงกระจัดกระจายที่ร่องของเลนส์และการไม่มีสารเคลือบป้องกันการสะท้อนบนเลนส์ อย่างไรก็ตามสำหรับการใช้งานที่มีความละเอียดต่ำเลนส์เทเลเซนตริกที่ใช้ Fresnel อาจเป็นโซลูชันที่ใช้งานได้จริงและคุ้มค่า

234 (5)

ที่น่าสนใจคือ Canon อ้างว่าได้เอาชนะปัญหาที่เกี่ยวข้องกับเลนส์ดังกล่าวด้วยเทคโนโลยีเลนส์กระจายแสง (DO) ซึ่งใช้องค์ประกอบออปติคอลแบบกระจายแสงชั้นเดียวสองชิ้นที่มีตะแกรงการเลี้ยวเบนเข้าด้วยกันแบบตัวต่อตัว (ดูรูปที่ 5) เนื่องจากความยาวคลื่นที่ยาวขึ้นจะทำให้ภาพเข้าใกล้เลนส์มากขึ้นเนื่องจากมีมุมกระจายแสงขนาดใหญ่และความยาวคลื่นที่สั้นกว่าจึงทำให้ภาพอยู่ห่างจากเลนส์ได้ไกลขึ้นเนื่องจากมุมการกระจายแสงที่เล็กลงการวางองค์ประกอบ DO ร่วมกับเลนส์แก้วทั่วไปจึงยกเลิกความคลาดสี (ดู Canon เว็บไซต์). น่าเสียดายที่การใช้เทคโนโลยีนี้ยังไม่พบวิธีการออกแบบที่ใช้เลนส์เทเลเซนตริก

เลนส์ Pericentric ให้มุมมอง 360 °

ระบบวิชันซิสเต็มจำนวนมากใช้ในการตรวจสอบชิ้นส่วนมากกว่าหนึ่งชิ้นและในหลาย ๆ กรณีจำเป็นต้องตรวจสอบพื้นผิวทรงกระบอกหรือทรงกลม 100% ในอดีตการตรวจสอบเหล่านี้ทำโดยใช้กล้องหลายตัวที่วางไว้รอบ ๆ ชิ้นส่วนโดยกล้องแต่ละตัวจะจับภาพด้านใดด้านหนึ่งหรือบางส่วนของชิ้นส่วน

น่าเสียดายที่วิธีนี้ทำให้ต้นทุนของระบบเพิ่มขึ้นเนื่องจากจำนวนกล้องที่ต้องการ นอกจากนี้วัตถุที่ถ่ายต้องอยู่ในตำแหน่งที่แม่นยำเนื่องจากกล้องแต่ละตัวจะต้องถ่ายภาพชิ้นส่วนในมุมที่เฉพาะเจาะจง เพื่อเอาชนะปัญหาเหล่านี้วิธีการออปติคอลได้รับการพัฒนาเพื่อให้จำเป็นต้องใช้กล้องเพียงตัวเดียวเพื่อให้ได้ภาพที่มีคุณสมบัติทั้งหมดของพื้นผิว

234 (6)

เลนส์เหล่านี้เรียกว่าเพอริเซนตริกเนื่องจากเส้นทางของรังสีภายในวัตถุ - รูรับแสงจะมองเห็นได้จากพื้นที่วัตถุขณะเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ บริเวณรอบนอกของกลุ่มออปติคอลด้านหน้า ต้องใช้กล้องเพียงตัวเดียวในการถ่ายภาพทั้งพื้นผิวด้านหน้าของวัตถุและด้านข้างโดยรอบ เมื่อเลนส์ถ่ายภาพวัตถุทรงกระบอกทั้งพื้นผิวด้านหน้าและพื้นผิวทรงกระบอกในเวลาเดียวกัน

ข้อดีของวิธีนี้ซึ่งมักใช้ในการตรวจสอบชิ้นส่วนต่างๆเช่นขวดแก้วกระป๋องอลูมิเนียมและบรรจุภัณฑ์สินค้าอุปโภคบริโภคอื่น ๆ คือคุณสมบัติทั้งหมดของวัตถุสามารถถ่ายภาพในเฟรมเดียวกันและสามารถประมวลผลโดยอัลกอริทึมเดียวเพื่อให้ได้รูปทรงแบน การแสดงพื้นผิวทรงกระบอก