מטרולוגיה אופטית בייצור

רקע
מטרולוגיה אופטית הינה כלי מכריע הנמצא בשימוש באוטומציה תעשייתית כדי להגביר את היצרנות ואת רמות האיכות באמצעות שיעורי פיקוח ובדיקה של 100%. הודות לזינוקים האחרונים לעבר רזולוציה גבוהה יותר וקצבי חלונית (פריים) של חיישני תמונה וגוף המלווים בממשקי מצלמה בשלים בעלי רוחב פס גבוה כגון USB 3.0, המטרולוגיה האופטית כיום מאפשרת ניתוח מהיר מאד עם דיוק חסר תקדים של אובייקטים דו-ממדיים ותלת-ממדיים. גיליון פתרונות זה מספק את השיקולים וההנמקות הנדרשים עבור אופן בחירת רכיבי המפתח הנכונים של המערכת, במיוחד מצלמות עבור יישומי מטרולוגיה שונים.

פרמטרי המערכת
עיצוביהן של מערכות מטרולוגיה אופטיות משתנים במידה רבה בהתאם ליישום. למרות זאת, העדשה, חיישן התמונה והגוף וכן המצלמה ממלאים תפקידים מרכזיים בכל המערכות הקלאסיות. כל רכיב משפיע על ביצועי המערכת בהיבטים הכמותיים והאיכותניים.
דיוק: פרמטרים כמותיים הינם דיוק המדידה במישור התמונה הדו-ממדית ובממד השלישי, העומק, כמו גם הזמן הנדרש ללכידת ומדידת אובייקט. יתר על כן, יש לקחת בחשבון את היותו של אובייקט המטרה נייח או נייד (למשל, נמצא על מסוע רצועה או מטופל על-ידי רובוט). פרמטר איכותני הינו אמינות מערכת המדידה. למרות תנאי סביבה משתנים, כמו טמפרטורה ותאורה, תוצאות המדידה יהיו עקביות והדירות (ניתנות לשחזור). גם שיעור הכישלון של פעולות המדידה עצמן, למשל, בשל סוגיות או בעיות באלקטרוניקה או בתוכנה של המצלמה, הינו קריטי.

חיישן צמצם גלובלי: בנוגע לרזולוציה של חיישן התמונה והגוף, ברור כי מספר הפיקסלים פרופורציונלי באופן ישיר לרזולוציה המרחבית ולייצוג המדויק של האובייקט. אלא אם ניתן להבטיח שהאובייקט והמצלמה דוממים לחלוטין במהלך זמן החשיפה של החיישן. חיישן צמצם גלובלי הינו בגדר חובה כך שכל הפיקסלים אכן נלכדים ונקראים באותו הזמן לאחר סיומה של החשיפה.
באמצעות טכנולוגיית הצמצם הגלובלי, שום עיוות לא יוצג על-ידי התנועות במהלך החשיפה. הגישה הסטנדרטית לעיצוב מצלמה תעשייתית קלאסית הינה לקחת חיישן טוב בעל טכנולוגיית צמצם גלובלי CCD או CMOS, להוסיף מגוון מאפיינים לשיפור והשבחת התמונה וכן מספר מצבי לכידה, ואז ליישם ולהוציא לפועל את המצלמה בעיצוב חסכוני.

תוצאות מדויקות: בחירת המצלמה מבוססת לעיתים קרובות על קריטריוני הרזולוציה, קצב החלונית (פריים), זמן החשיפה המינימלי והמחיר, אשר פועלים היטב עבור יישומי פיקוח ובדיקה כליים וזיהוי נוכחות כגון אימות איכות הדפסה ואוכל או אוטומציית מפעלים רגילה. חידושים והמצאות חדשות בעיצובי חיישני התמונה והגוף וכן ממשקי מידע מאפשרים ליצרני המצלמות לייצר מצלמות בעלות רזולוציות מוגדלות יחד עם קצבי חלונית (פריים) גבוהים יותר. חידושים אלו מגדילים את טווח היישומים היכולים למנף את הטכנולוגיות החדשות להשגת תוצאות פיקוח ובדיקה מדויקות יותר.

יישומים ודרישות
קצבי חלונית (פריים) גבוהים: במטרולוגיה גיאומטרית דו-ממדית, מצלמה יחידה מותקנת באופן אורתוגונלי למשטח אותו יש ללכוד. כאשר מדובר בניתוח הממד, למשל, של גיליונות מתכת לאחר חיתוך, כרסום, קידוח וצעדי עיבוד נוספים, הגיליונות נעים על מסוע. על-גבי הרצועה, מותקנת מצלמת מטרולוגיה וטווח טיפוסי של הדיוק המיועד הינו 0.1 מ”מ. בתרחישים כאלה, תפוקת הייצור מוגבלת לעיתים קרובות על ידי יכולות הפיקוח והבדיקה יותר מאשר על-ידי מכונות הייצור עצמן. לפיכך, על המצלמות להיות מסוגלות ללכוד ולמדוד את האובייקטים כאשר הם נעים במהירות גבוהה (למשל, 2 מטר לשניה). הדבר דורש מהמצלמה להיות מאד רגישה על מנת לאפשר זמני חשיפה קצרים. בנוסף, היות ואובייקטים מרובים בכל שניה עוברים מול המצלמה, יש לספק קצב חלונית (פריים) גבוה ליחידת העיבוד. אם כן, נדרש ממשק מצלמה בעל רוחב פס גבוה.

ביצועים איכותיים: CameraLink היה סטנדרט התעשייה המקובל לפני ש- USB 3.0 הפך להיות נפוץ במחשבי PC של צרכנים או תעשייתיים. בעוד USB 3.0 נחשב לנפוץ ובשל, העיצוב המדוקדק והזהיר של ערכת השבבים של המצלמה, קושחת המצלמה, מאגרי התמונות בתוך המצלמה, מנהל התקן התוכנה (דרייבר) כמו גם בחירת ערכת השבבים המארחת הינם חיוניים כדי לוודא שכל החלוניות שנלכדו על-ידי המצלמה למעשה נמסרות ונשמרות על-ידי ה- PC, אחרת חלקים כלשהם עשויים לחמוק מתהליך הפיקוח והבדיקה. זהו היבט הליבה של פרמטרי “הביצועים האיכותניים” של מערכת המטרולוגיה אשר צוינה לעיל.

אפס אובדן של חלוניות: אפס אובדן של חלוניות הינו קריטי כאשר אובייקטים נעים נמדדים על-ידי מספר מצלמות על מנת להשיג דגם תלת-ממדי. לצורך השגת ייצוג תלת-ממדי נכון, על כל המצלמות ללכוד תמונה של האובייקט באותה נקודת זמן. ניתן לבצע זאת באמצעות אותות הזנקה חיצוניים המקושרים לפתחת הקלט/פלט המיועדת לשימוש כללי של המצלמות התעשייתיות. דרישה אף יותר קריטית הינה הצורך לוודא כי כל החלוניות מעד ארבע מצלמות יישלחו באופן מהימן ל- PC מארח אחד בו ישולבו כל התמונות. אם חלונית ממצלמה אחת בלבד אובדת, כל פעולת המדידה תיכשל.

איכות תמונה מעולה: מעבר לווידאו וממשק בקרה אמינים, המטרולוגיה קובעת דרישות עיקריות לגבי איכות התמונה של המצלמה. היתרונות הנובעים מרזולוציות חיישן גבוהות יותר הקיימות בחיישני התמונה והגוף העדכניים ביותר מסוג CCD וצמצם גלובלי CMOS, מגיעים עם כמה וכמה אתגרים מאחר ששום מרכיב אינו מושלם. לעיתים קרובות חיישנים אלו מגיעים עם מקבצי פיקסלים פגומים. תיקון פגמים אלו נעשה בתהליך הייצור על-ידי ביצוע אינטרפולציה בין הפיקסלים הטובים הקיימים בסביבה המקיפה את הפגמים.
היות שבמטרולוגיה, יש לזהות ולמדוד את קצותיהם החדים של אובייקטים, מקבצים גדולים של פיקסלים פגומים מפחיתים בעקביות את רמת הדיוק ברת-ההשגה. רוב יצרני המצלמות היוקרתיות מדרגים את החיישנים הנכנסים ושומרים את המכשירים הטובים ביותר, בהם קיימים פיקסלים פגומים מועטים, עבור המצלמות המיועדות להשתלב בתוך יישומי מטרולוגיה.

איזון מקטעים (Tap-Balancing) של חיישנים: (*הסבר – חיישני CCD גדולים מחולקים למקטעים הקרויים Taps וזאת על מנת לזרז את הצגת הנתונים. איזון המקטעים, Tap-Balancing, מבטיח שמאפייני החיישן והתמונה זהים בכל המקטעים הללו). אתגר נוסף הקיים בחיישנים בעלי רזולוציה גבוהה המהווה גם גורם מבדל מרכזי, הינו איכות איזון המקטעים של החיישן. חיישני CCD בעלי רזולוציה גבוהה מחולקים למקטעים (Taps) כדי לאפשר קריאה והצגת נתונים מהירה יותר. למרות זאת, כל מקטע הינו בעל צנרת עיבוד משלו, עם מגברים והמרה אנלוגית לדיגיטלית. שוב, כל אחד מרכיבים אלה הוא ייחודי, דבר אשר תוצאתו בדרך כלל היא רמות שונות של בהירות בין שני או אפילו ארבעת המקטעים. הבדלי הבהירות מובילים להיווצרות שוליים מלאכותיים בתמונה העשויים להטעות את אלגוריתמי המדידה.
איזון המקטעים מתבצע ב-FPGA של המצלמה (Field-programmable gate array – מעגל משולב אשר תפקודו ניתן לשינוי לאחר הייצור, בדומה לתכנות) והוא דורש את כיולם של פרמטרים רבים במהלך תהליך הייצור של המצלמה. פרמטרים אלו תלויים בזמן החשיפה, הגברת האות וטמפרטורת החיישן. רק באמצעות שיטת כיול משוכללת יכולות המצלמות לספק איכות תמונה אופטימלית עם אחידות ולינאריות תחת רוב תנאי הפעולה האפשריים.

אמינות: במערכות מטרולוגיה המיועדות לאוטומציה תעשייתית ובדיקות איכות, רזולוציית מצלמה גבוהה יותר מגבירה את הדיוק, רגישות גבוהה מאפשרת הסעה מהירה יותר של האובייקטים הנבדקים וקצבי חלונית (פריים) מהירים יותר מגדילים את התפוקה. טכנולוגיות החיישנים ותקני הממשקים העדכניים ביותר מאפשרים למערכות מטרולוגיה לעמוד בציפיות הללו. מלבד שיפורים אלו, הגורמים המבדלים האמיתיים במצלמות מטרולוגיה הינם איכות התמונה, יציבותם המכנית ואיכותם של החיישנים, אלקטרוניקת הקריאה, ממשק המצלמה ומנהלי התקני התוכנות (דרייבר). אלו הם כמה מההיבטים הקריטיים אותם יש להביא בחשבון כאשר מגיעים לבחירת רכיבי המערכת עבור יישומי מטרולוגיה אופטיים. רובם אינם מכוסים בגיליונות נתונים ובמחירונים אולם הם זקוקים למעורבותו של מומחה מהימן בתחום כך שהרכיבים הנכונים ייבחרו על מנת לעמוד בדרישות היישום.

INFINITY3-3URM
ה-INFINITY3-3URM הינה מצלמת מונוכרום (שחור-לבן) בעלת מהירות גבוהה, רגישות גבוהה ודרוג מחקר עם רזולוציה של 2.8 מגה-פיקסל. ציון דרוג המחקר מהווה עדות לאלקטרוניקה בעלת הרעש הנמוך, לרכיבים המעולים ולטכניקות הניהול התרמי הייחודיות.
מצלמה זו מותאמת היטב ליישומים כגון מטרולוגיה, בהם נדרשות רגישות קיצונית, רזולוציה מוגברת ומהירות גבוהה. היא מושתתת על טכנולוגיית חיישנים פורצת דרך עבור מקטעים של ארבעה ExView HAD II Quad Tap שנועדה לספק הדמיה באיכות גבוהה וברגישות גבוהה במצלמה קומפקטית ועשירה במאפיינים. תהליך התאמת המקטע המתקדם של לומנרה מבטיח תמונות רציפות ללא תפרים על-פני טווחים נרחבים של טמפרטורה והגברת אותות.

חברת להט הינה הנציגה של Lumenera בארץ

למידע נוסף בקרו באתר חברת לומנרה