انتخاب لنز مناسب با توجه به طول موج در پروژه های بینایی ماشین

لنزها نقش مهمی در کیفیت تصاویر تولید شده توسط یک سیستم بینایی ماشین دارند چرا که وضوح تصویر نقش بسته بر روی سنسور دوربین را تعیین می کنند. لنزها می توانند کیفیت تصویر را به طرق مختلفی تحت تاثیر قرار دهند که با انتخاب لنز مناسب می توان تمامی این اثرات را به حداقل رساند:

  • کاهش انتقال نور به دلیل انعکاس سطح لنز
  • جلوگیری از نگاشت تمامی پرتوهای نور حاصل از یک نقطه از جسم بر روی یک نقطه از صفحه تصویر به دلیل انحراف کروماتیک
  • کاهش شدت نور با حرکت به سمت لبه تصویر

در این مقاله به برخی از نکات خاصی که در انتخاب لنز برای هر پروژه بینایی ماشین بایستی بدان توجه شود، اشاره می کنیم.

دسته بندی طول موج فرکانسی در کاربردهای بینایی ماشین

از آنجایی که لنزها نور را از خود عبور می دهند، اولین نکته ای که باید به آن توجه کنیم، طول موج نور استفاده شده است، چراکه طول موج تاثیر عمده ای بر اعوجاج رنگی و شدت انتقال نور دارد. با آنکه استفاده از تمامی بازه طول موج مرئی در برخی از کاربردها مانند تصویربرداری رنگی ضروری است، اما استفاده از روشنایی تک رنگ اجازه می دهد تا صرف نظر از طول موج انتخاب شده، بهترین عملکرد لنز را شاهد باشیم.

انتقال نور

به طور کلی، حدود 4٪ از نوری که از هوا از طریق یک عدسی شیشه ای عبور می کند، در هر سطح آن منعکس می شود، به این معنی که 8٪ از نور دریافتی توسط لنز از دست می رود. برای جلوگیری از این اتلاف از یک پوشش نازک ضد انعکاس بر روی سطوح لنز  استفاده میشود که باعث بهبود قابل توجهی در انتقال نور میشود. پوشش های زد انعکاسی که تمامی پهنای باند نور مرئی (طول موج 400 تا 700 نانومتر) را پوشش دهد را می توان برای تصویربرداری رنگی استفاده کرد، اما برای آنکه انتقال نور در لنز به بیشترین مقدار ممکن برسد بهتر است از یک منبع نور تک رنگ همراه با پوشش لنز طراحی شده برای آن طول موج خاص استفاده کنید.

از هر نور تابیده شده به عدسی، بخشی از آن منتقل شده و بخشی اتلاف میشود، که اتلاف به دلیل جذب شدن، ساطع شدن و یا منعکس شدن نور است.

انحراف رنگی

هنگامی که طول موج های مختلف نور از یک رابط هوا-شیشه عبور می کند، هر طول موج با مقدار متفاوتی می شکند که منجر به ایجاد انحراف رنگی توسط لنزها می شود. این انحراف باعث محو شدگی لبه اشیا در تصویر شده و در کاربردهای اندازه گیری، اندازه گیری دقیق توسز بینایی ماشین را غیر ممکن می سازد. خوشبختانه صدها نوع شیشه نوری مختلف با ویژگی های انحراف رنگی مختلف موجود است که امکان تولید لنزهای های آکروماتیک با عناصر شیشه ای متنوع را برای جبران اثرات انحراف رنگی فراهم می کند. بدیهی است هنگام استفاده از منابع نوری تک رنگ، به طرح های لنز بسیار ساده تری نیاز است، زیرا انحراف رنگی وجود ندارد.

تاثیر انحراف رنگی لنز در تصویر ایجاد شده از اشیا

تصویربرداری خطی

تصویربرداری خطی برای بازرسی مواد پیوسته و تصویربرداری  از اشیاء  بر روی تسمه نقاله، به ویژه در کاربردهایی که طول اشیاء متفاوت است، استفاده می شود. که در نهایت تصویر نهایی با به هم پیوستن خطوط تصاویری که توسط دوربین در هنگام عبور سریع جسم از زیر آن، برداشته شده است، ساخته می شوند. زمان‌ نوردهی کوتاه در مقایسه با تصویربرداری ناحیه ای، قابلیت انتقال نور در لنز را عامل مهمی در دریافت نور کافی به سنسور می‌کند. سنسورهای دوربینهای خطی در رزولوشنهایی تا 16k پیکسل موجود هستند و در نتیجه متداولاً ابعاد بزرگی دارند که گاهاَ تا 80 میلیمتر نیز می رسند. بنابراین باید از لنزهایی با اندازه بزرگ برای اطمینان از دریافت نور در کل طول سنسور  استفاده کرد. چون به حداکثر رساندن نور دریافتی توسط سنسور بسیار مهم است، استفاده از پوشش‌های ضد انعکاس لنز حیاتی است. بنابراین در صورت استفاده از دوربین تصویربرداری خطی  رنگی، بایستی سراغ استفاده از لنزهای آکروماتیک با پوشش ضد بازتاب تمامی پهنای باند نور مرئی رفت تا تصویری شفاف و بدون انحراف رنگی داشت.

همچنین باید توجه داشته باشید که دوربینها در پیکربندی های مختلفی در دسترس است. در دوربین های تک سنسوره، تصویر خروجی از ترکیب شدت نور دریافتی از دو یا سه خط مجاور بر روی سنسور (برای تولید سیگنالRGB ) حاصل می شود، در حالی که در دوربین های سه یا چهار سنسوره، نور از جسم به یک منشور تابیده می شود که باعث تفکیک سیگنالهای RGB (و مادون قرمز) از هم شده و هر سیگنال توسط سنسور مجزایی دریافت میشود. لنزهایی که برای دوربین های مبتنی بر منشور استفاده می شوند به طراحی های خاصی نیاز دارند تا مسیرهای نوری مختلف و ویژگی های فوکوس درون دوربین را جبران کنند. همچنین در این لنزها برای جلوگیری از آسیب مکانیکی به منشور، برآمدگی عقب لنز نیز بسیار کمتر از سایر لنزها است.

انواع دوربینهای خطی رنگی بر اساس تکنولوژی مورد استفاده در سنسور تصویر برداری

تصویربرداری مادون قرمز نزدیک (NIR)

مادون قرمز نزدیک (NIR) از طول موج 700 نانومتر تا 1 میکرومتر را شامل می شود. سنسورهای معمولی CMOS دارای مقداری حساسیت NIR هستند و امروزه سنسورهایی با حساسیت بیشتر از 850 نانومتر رایج‌تر شده اند. NIR می تواند ویژگی های زیرسطحی مانند پوسیدگی، کبودی و آسیب آفات را در غذاهایی مانند میوه، سبزیجات، آجیل و گوشت را نشان دهد. نور NIR همچنین می‌تواند به برخی از رنگ‌ها و جوهرها نفوذ کند و بازرسی محصولات بسته بندی شده را ممکن می‌سازد. همچنین در صنایع چوب، منسوجات، کاغذ، شیشه، کاشی و الکترونیک و برای بازرسی برچسب روی اقلام استوانه ای مانند قوطی، بطری، خودکار و غیره یا حتی اشیاء چرخان کاربرد دارد. علاوه بر این، در برخی کاربردها استفاده از منابع نور NIR همراه با فیلترهایی که تنها نور NIR را عبور می دهند، هرگونه اثرات ناخواسته ناشی از نور محیط را از بین می برد. اگر تصویربرداری همزمان NIR و رنگی از یک شی مهم است، استفاده از دو دوربین مجزا می تواند مشکلاتی را در همپوشانی دقیق بین دو تصویر ایجاد کند. دوربین منشوری چند سنسوری انتخاب مناسبی برای اینچنین کاربردهاست. در این نور دوربین منشوری تعبیه شده است که نور دریافتی را  به کانال‌های طول موج مرئی و NIR جدا می کند که در هر سمت سنسور مجزایی وجود دارد که این سیگنالهای را دریافت کرده و در نهایت تصاویر رنگی و مادون قرمز با زمان و ناحیه تصویربرداری یکسانی حاصل میکند. لنزهای استفاده شده برای این دوربین ها باید به خوبی با ویژگی های نوری منشور مطابقت داشته باشند.

استفاده از منشور در دوربینهای NIR برای تفکیک نور مرئی از نور فرابنفش

تصویربرداری مادون قرمز موج کوتاه (SWIR)

امواج مادون قرمز موج کوتاه (SWIR) طول موج بین 1 تا 5 میکرومتر است، اگرچه بسیاری از دوربین‌های مادون قرمز موج کوتاه برای عملکرد در ناحیه 0.9 تا 1.7 میکرومتر بهینه‌سازی شده‌اند. این دوربین ها به آشکارسازهای خاصی مانند ایندیوم گالیوم آرسنید یا مرکوری کادمیوم تلوراید نیاز دارند. دوربین‌های SWIR تصاویر تک‌رنگی را از نظر وضوح و جزئیات مشابه تصاویر نور مرئی تولید می‌کنند، اما شیشه های اپتیکال تجاری کمی برای لنزها در این طول موج وجود دارد. این شیشه‌ها معمولاً انحراف کمی دارند که با افزایش طول موج کاهش می‌یابد. مواد مادون قرمز کریستالی، مانند سلنید روی و فلوراید کلسیم، عملکرد پراکندگی بالایی دارند، اما این مواد از نظر مکانیکی بسیار مقاوم‌تر از شیشه و همچنین گران‌تر هستند. بنابراین بیشتر لنزهای SWIR همچنان از شیشه با پوشش های ضد انعکاس ساخته می شوند. آب جاذب قوی برای فرکانسهای SWIR است، که منجر به کاربردهای تشخیص رطوبت در کشاورزی و همچنین بررسی سطوح پر شدن مایعات آبی در بطری ها می شود. شفافیت سیلیکون نسبت به تشعشعات SWIR، بازرسی نیمه هادی زیرسطحی و سلول خورشیدی از جمله تشخیص ناخالصی ها در شمش های کریستال نیمه هادی و ترک در مواد پلی کریستالی را امکان پذیر می کند. همچنین در بازیافت موارد، می توان از این طول موج برای تمایز مواد پلاستیکی از سایر استفاده کرد. تاثیر خاص ناشی از جذب طول موج SWIR توسط مواد آلی و پلاستیک می تواند برای شناسایی منحصر به فرد آنها با استفاده از تصویربرداری فراطیفی استفاده شود. تصویربرداری SWIR همچنین می تواند دمای بین 250 تا 800 درجه سانتیگراد را اندازه گیری کند و در بازرسی مواد شیشه داغ در مراحل اولیه ساخت و کاربردهای جوشکاری مورد استفاده قرار میگیرد.

امکان شناسایی کبودی میوه در تصاویر فراطیفی

تصویربرداری موج بلند مادون قرمز (LWIR)

طول موج مادون قرمز موج بلند (LWIR)  8-14 میکرومتر است. دوربین های LWIR دارای سنسورهای میکروبولومتر هستند که با استفاده از تشعشعات ساطع شده طبیعی (ترموگرافی) اندازه گیری دمای سطح را با دقت بالا تا 250 درجه سانتیگراد امکان پذیر می کنند. تشعشعات گرما را می توانند در فواصل طولانی، در تاریکی مطلق و همچنین از طریق مه، گرد و غبار، باران و دود تشخیص دهند. کاربردهای این طول موج شامل نظارت، امنیت و نجات و اخیراً برای غربالگری تب انسان در طول همه‌گیری کووید-19 می باشد. کاربردهای صنعتی شامل آزمایش غیرمخرب و در حین فرآیند ساخت است. عدسی های LWIR عموما از مواد ژرمانیوم یا کالکوژنید ساخته می شوند. کالکوژنیدها خواص نوری و مکانیکی مشابهی با ژرمانیوم دارند اما ضریب شکست متفاوتی دارند.

استفاده از تصویر برداری LWIR برای اندازه کیری درجه حرارت بدن انسان

تصویربرداری فرابنفش (UV)

تصویربرداری UV وضوح بالاتری نسبت به نور مرئی ارائه می‌دهد و این امکان را فراهم می سازند تا المانهای زیر میکرونی قابل مشاهده و اندازه گیری باشند. این ویژگی به ویژه برای تشخیص خراش ها و عیوب بر روی سطوح صیقلی و همچنین جزئیات بسیار کوچک در محصولاتی مانند برد مدار چاپی، اسناد و کارت های اعتباری مفید است. از آنجایی که شیشه نور UV را کاهش می دهد، لنزهای کوارتز را می توان برای نور UV-A (320 تا 400 نانومتر) و UV-B (290-320 نانومتر) استفاده کرد.

انتخاب لنز

طول موج‌های مورد استفاده در هر کاربرد بینایی ماشینی، تاثیر بسزایی در انتخاب مناسب‌ترین لنز دارد. هر چه طیف فرکانس وسیعتری مورد نیاز باشد، لنزهایی با ساختار های پیچیده‌تری باید مورد استفاده قرار گیرد. با این حال، عوامل دیگری نیز هستند که باید در نظر گرفته شوند، از جمله سایر انحرافات و اعوجاج ها، و همچنین محیط فیزیکی که در آن لنز استفاده می شود. با در نظر گرفتن طیف وسیعی از لنزهای موجود در بازار، مشاوره با متخصص بینایی ماشین  که نگاه جامعی به نیازهای پروژه های بینایی ماشین دارند، می تواند مفید باشد. مطمئناً، هیچ لنزی وجود ندارد که برای تمامی پروژه ها مناسب باشد. تیم فنی بیناصنعت به عنوان مشاور، در انتخاب و تهیه بهترین لنز برای پروژه بینایی ماشین شما، در کنار شماست.

منبع: مجله Quality

نوشته های مرتبط

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.