תאורה טלסנטרית: מדוע היא נדרשת ביישומים של מערכות בקרה אוטומטיות (Machine vision)

פרויקטים של הדמיה (Imaging) ובדיקה (Inspection) דורשים רכיבים אופטיים מדויקים על מנת להשיג ביצוע אופטימאלי.

יישומים של הדמיה במערכות בקרה אוטומטיות מסוג זה דורשים עדשות הדמיה, מקורות תאורה, מצלמות ומכאניקה על מנת לציין רכיבי מפתח. הבחירה של עדשות הדמיה ומצלמה – מהווה תנאי הכרחי להצלחת היישום. למרות זאת, התאורה לוקחת תפקיד חשוב במשחק. אחד מהסוגים היותר מדויקים של תאורה גאומטרית הוא תאורה טלסנטרית. מה היא בעצם תאורה טלסנטרית? איך היא יכולה להשיג תוצאות יותר טובות בהשוואה לתאורה אחורית סטנדרטית? על מנת לענות על השאלות הללו יש להבין את התיאוריה של תאורה, את היתרונות ואת מערכות הבדיקה הקיימות בעולם האמיתי.

התיאוריה של מקור אור טלסנטרי:
באופטיקה, טלסנטריות היא תכונה בולטת בתכנונים של עדשה רבת-אלמנטים, כאשר הקרניים הראשיות מקולמטות ומקבילות לציר האופטי ו/או לשטח האובייקט (תמונה 1). מאפיין בולט לטלסנטריות, אם כך, הוא הגדלה קבועה ללא תלות במיקום התמונה ו/או האובייקט. טלסנטריות ניתן לסווג על ידי שלוש דרכים: שטח האובייקט, שטח התמונה ויחדיו.  העיקרון שבו הקרניים הראשיות מקולמטות ומקבילות לציר האופטי חל גם על תאורה. זהו המקרה של מקור אור טלסנטרי, שלעיתים נקראת גם תאורה אחורית מקולמטת (“Collimated Backlight”). מקור אור טלסנטרי מכיל אופטיקה עבור תאורה ישירה מסיב אופטי או לד על האובייקט אשר נמצא בבדיקה, ומייצרת צללית בעלת ניגודיות גבוהה. מקור אור טלסנטרי מגביר את ניגודיות הקצה (edge contrast) ואת דיוק המדידות על ידי הנמכה של ההחזרה המפוזרת של האור (diffuse reflections) מהאובייקט. קרניי אור מקולמטות יוצאות מהתאורה ונשארות מקולמטות בעוד שהן פוגעות במשטח האובייקט (תמונה 2א). מנגד, קרני אור היוצאות מתאורה אחורית סטנדרטית מתרחבות ומפריעות אחת לשניה וגורמות להחזרה מפוזרת של האור (תמונה 2ב).

כיצד מקור אור טלסנטרי יוצר צללית בעלת ניגודיות גבוהה?
מקור אור טלסנטרי מצריך עדשות זכוכית באיכות גבוהה על מנת לקלמט אור היוצא מסיב אופטי תאורת לד. אור המסתעף היוצא מהמקור נכנס למכלול רב-האלמנטים, הופך מקביל וכן מרוכז מאוד כאשר הוא יוצא. כמעט כל האור שנכנס למקור האור הטלסנטרי (בהזנחת החזרה אחורית וקליטה דרך כל אחת מהעדשות) פוגע באובייקט אשר נמצא בבדיקה. בנוסף, הרבה מקורות אור טלסנטריים מגיעים עם צמצמים על מנת לשלוט על עוצמת התאורה המסופקת.

מה הסוד של מקור האור הטלסנטרי?
בשילוב עם מקרן בעל תבנית של לד ולוח שנתות, ניתן להשתמש בעדשת הדמיה טלסנטרית סטנדרטית כמקור אור טלסנטרי. באשר למקור אור טלסנטרי אופייני, האור שיעבור דרך העדשה הטלסנטרית יהיה מקולמט, מבטל החזרה מפוזרת כאשר הוא מצליל את אובייקט. למרות זאת, פגמים במקרן הלד יהיה ניתן אולי לזהות כאשר משתמשים בעדשת הדמיה טלסנטרית, שלא כמו מקור אור טלסנטרי.

יתרונותיו של מקור האור הטלסנטרי:
מקור אור טלסנטרי הינו אידיאלי למדידות מדוייקות כאשר דיוק, הדירות (repeatability) ותפוקה (throughput) הם גורמי מפתח וחשובים להצלחה. על מנת להשיג את התוצאות הטובות ביותר יש להתחשב בשמונה יתרונות מפתח של מקור האור הטלסנטרי.
1. זיהוי של פגמים קטנים בדיוק גבוה.
2. עלייה בדיוקים של מדידות והדירות בהשוואה לתאורה אחורית סטנדרטית.
3. ביטול של קצוות מטושטשים שנגרמות על ידי החזרה מפוזרת.
4. הגברה של עוצמת האור היוצא מקרני אור מקולמטות.
5. תמונות בעלות ניגודיות גבוהה בעקבות ביטול קצוות מטושטשים והגברה של עוצמת אור.
6. הנמכה של זמן חשיפת המצלמה בעקבות הגברת עוצמת האור.
7. מערכות מהירות יותר ותפוקה מהירה יותר בהשוואה לתאורה אחורית סטנדרטית.
8. הגדלה של המרחק בין האובייקט ולמקור האור.

ההבנה של המסגרת התיאורטית של מקור אור טלסנטרי מהווה צעד גדול ראשון. הצעד הבא הוא לנתח את מערכות קיימות של גאומטרית התאורה המדויקת הזו על מנת להבין מדוע היא נדרשת ביישומים של מערכות בקרה אוטומטיות (Machine vision). היתרונות של מקור האור הטלסנטרי הינם אידיאליים עבור מגוון אפליקציות כולל הדמיה מהירה (high-speed imaging), אוטומציה למפעלים, הצללה, זיהוי פגמים וזיהוי קצוות. דוגמא אחת לחקר פרטני היא מדידה וזיהוי של קוטר הברגה של פוסט מכאני ממתכת אל-חלד. המימדים הקטנים של האובייקט הנמצא בבדיקה (10 מ”מ), והצורך למדוד את הצעד ( pitch) של ההברגה, לא מאפשרים מיון ויזואלי. המערכת המקורית שנבנתה עבור אפליקציה זו כללה תאורת לד אחורית מפוזרת אל מול #56-678 0.6X TECHSPEC® Silver Series Telecentric Imaging Lens on a 640 x 480 pixel CCD camera, רובוט איסוף ראשון מטרתו הייתה להזיז פריטים מפטיפון הייצור אל מערכת הראייה עבור רכישת תמונה. רובוט איסוף שני משתמש במידע שנאסף למיון הפריטים לתאים “עבר” או “לא עבר”.  למרות שהמערכת תוכננה היטב, המערכת שכללה תאורה האחורית לא הייתה מסוגלת לזהות חלקים קטנים מ-10 מ”מ והייתה מוגבלת ל-10ppm, הואיל ונדרש 40ppm על מנת לעמוד בקצב זרימת הייצור החדש. בנוסף, עוצמת האור החלשה שהופקה מתאורת הלד האחורית חייבה 2.5ms זמן חשיפה של המצלמה. מהירות קו-ייצור חדש מתירה רק 800µs עבור לכידת תמונה ללא טשטוש. אחד השינויים הקלים לתיקון היה לשנות את הגדרות המצלמה על מנת להקטין את זמן החשיפה. למרות זאת, השינוי בהגדרות יצר רעש במערכת והוריד את דיוק המדידות. והנה התשובה – מקור אור טלסנטרי! על ידי החלפת תאורת הלד האחורית המפוזרת עם #62-760 TECHSPEC® Telecentric Backlight Illuminator, עוצמת האור הפוגעת בהברגה תעלה, זמן החשיפה של המצלמה תרד, והניגודיות הכוללת של המצלמה תעלה על ידי ירידה של ההחזרה המפוזרת. תמונה 3א ו-3ב משוות בין מערכת עם מקור תאורה טלסנטרי לבין מערכת עם מקור אור אחורי סטנדרטי. שימו לב כי המערך (setups) של שתי המערכות כמעט זהה, השוני הינו מזערי בין המערכות. במערך (setup) המקורי, ההחזרה המפוזרת ממקור האור האחורי יצרה קצוות מטושטשים. לאחר החלפת מקור האור למקור טלסנטרי, הקצוות הפכו ברורים וקל יותר לקבוע האם הפוסט “עבר” או “לא עבר” בבדיקה (תמונות 4א ו4ב). בנוסף, השבב בצד ההברגה היה כמעט בלתי נראה במערכת בעלת מקור האור האחורי הסטנדרטית אך מאוד קל לזהות ואף למדוד אותו על ידי מקור אור טלסנטרי. מבחינה טכנית, הגרפים בתמונות 5א ו-5ב ממחישות את ערכי הניגודיות של המערכת בעלת מקור אור טלסנטרי ושל המערכת בעלת מקור האור האחורי הסטנדרטי. הטווחים הגדולים בערכים הנמוכים של גרף 5א מעידים על ניגודיות גבוהה יותר, שהן תוצאה של מדידות מדויקות יותר. מקור אור טלסנטרי הינו יעיל במגוון יישומים בתחום מערכות בקרה אוטומטיות (Machine vision). בניגוד לתאורה אחורית סטנדרטית, השימוש בתאורה טלסנטרית יוצר הצללה ברורה, אידיאלי לזיהוי קצוות ופגמים. יתרונות השימוש במקור אור טלסנטרי הינן מכריעות עבור יישומים הדורשים תמונה בעלת ניגודיות גבוהה ללא קצוות מטושטשים ועבור אוטומציה מהירה.

הכתבה נמסרה באדיבות חברת פרולוג אופטיקה.

Lucas Willis is a Machine Vision Solutions Engineer at Edmund Optics, Barrington, NJ, USA