Voorkomen van door hitte veroorzaakte beeldvervorming in Machine Vision Line Scan-camera's

Uit astronomische beeldvorming is bekend dat verschillende atmosferische omstandigheden en weerseffecten van invloed zijn op de beeldkwaliteit. Dit komt door lokale veranderingen van de brekingsindex van de lucht in het optische pad. Deze veranderingen zijn afhankelijk van de golflengte en variëren met veranderingen in de atmosferische druk en de luchtvochtigheid.

Op het gebied van machinevisie kan worden aangenomen dat zowel de druk als de vochtigheid over het gehele optische pad constant zijn. Er is echter een uitzondering op deze regel als er turbulente luchtstromen in het optische pad zijn die lokale drukveranderingen kunnen veroorzaken. Een typische oorzaak van turbulenties is warmteconvectie tussen onderdelen bij verschillende temperaturen. Veelvoorkomende warmtebronnen in machinevisie kunnen de verlichting, hoogbelaste elektronica of monsters met hoge temperaturen zijn, zoals gegoten metaal.

Invloed op beeldvorming

De verschillende brekingsindices in de turbulente lucht werken als een gradiëntlens die de beeldinhoud in de getroffen gebieden vervormt. De omvang en uitbreiding van de kromming is zowel te complex als te afhankelijk van de opstelling om wiskundig te modelleren. In plaats daarvan laten we een voorbeeldmeting van dit effect zien om de typische omvang weer te geven en om u te begeleiden bij het meten in uw eigen opstelling.

In een lijnscancamera is de optische vervorming constant voor elke lijn langs de scanrichting en is daarom niet zichtbaar in het beeld. Dit gegeven reduceert het probleem tot één ruimtelijke dimensie – loodrecht op de scanrichting – en de tijdsdimensie. Beide dimensies kunnen tegelijk worden waargenomen door een afbeelding van een statisch doelwit te maken met de lijnscancamera. De optische vervorming verschuift de positie van de beeldinhoud in de x-richting, terwijl de verlenging van de kromming in de y-richting de tijdsinformatie vertegenwoordigt.

Deze verschuiving kan eenvoudig worden gemeten door een statisch lijnenpatroon af te beelden. Het basisprincipe van deze meting is weergegeven in figuur 1. Een referentiebeeldintensiteitsprofiel wordt genomen door het gemiddelde te nemen van een interessegebied met een gebied van enkele kolommen rond elke x-positie (afgebeeld in groen). Een vierkant testblok (afgebeeld in rood) wordt langs de hele kolom geleid en voor elke positie worden de testgegevens via interpolatie in subpixelstappen verschoven. De verschuiving met de hoogste correlatie tussen test en referentie wordt voor elke pixel vastgelegd en kan worden uitgezet in een afbeelding op kleurenschaal om de gegevens te visualiseren.

Afbeelding 2 toont deze visualisatie van een statisch lijnpatroonbeeld dat is vastgelegd met een Chromasens allPIXA-camera met een optische resolutie van 5 m. De warmtebron is in dit geval de Chromasens Corona II buisverlichting die op maximale LED-stroom werkte. In deze opstelling ligt de grootte van de optische vervorming in het bereik van <0,15 pixel. De turbulenties zijn in het verschuivingsbeeld zichtbaar als gebieden met vergelijkbare vervorming. Ze strekken zich uit over een grootte van 10 mm - 30 mm en blijven 200 ms - 800 ms bestaan.

Deze meting laat zien dat de grootte van de beeldverstoring als gevolg van warmteconvectie van een standaardverlichting geen merkbare impact zal hebben voor standaard inspectietaken. Gespecialiseerde beeldverwerkingstaken die afhankelijk zijn van subpixelnauwkeurigheid (bijv. subpixelnauwkeurige kenmerkextractie of subpixelgebaseerde beeldcorrelatie) zullen echter waarschijnlijk een verminderde meetnauwkeurigheid vertonen als gevolg van deze vervormingen.

Onderdrukking van kromtrekken van afbeeldingen

Het beeldvervormingseffect kan worden onderdrukt door turbulenties te voorkomen. Hiervoor kan een ventilator worden gebruikt om een ​​laminaire luchtstroom te creëren. Omdat de druk in een laminaire stroming constant is, zullen er geen gradiëntlenseffecten optreden. De luchtstroom moet ofwel het hele oppervlak van de warmtebron bedekken, of het hele volume van het optische pad waar turbulenties kunnen optreden.

De tweede optie is doorgaans gemakkelijker te realiseren voor lijnscancamera's omdat het optische pad beperkt is tot een vlak. De ventilator kan daarom aan de zijkant van de camera worden geïnstalleerd met de stroomrichting langs de sensorlijn. In bovenstaand voorbeeld moet de lucht in het volume direct onder de kijkspleet van de tubelight door een laminaire stroming worden geperfuseerd. Omdat de zijwanden van de verlichting een directe zijtoegang voor de luchtstroom blokkeren, werd de ventilator bovenop de buislamp geïnstalleerd en in een schuine hoek in de kijkspleet geblazen, zoals weergegeven in figuur 3. Deze methode verminderde de omvang van de vervorming tot een onherkenbaar klein formaat.

Conclusie

Een warmtebron in de buurt van het optische pad kan vervorming van het beeld veroorzaken, waardoor de positie van de beeldinhoud plaatselijk verschuift. Voor lijnscancamera's bestaan ​​er beeldgebieden met een vergelijkbare verschuiving die enkele mm van het gezichtsveld beslaan en die binnen een tijdsbestek van ongeveer één seconde tevoorschijn komen en verdwijnen. Subpixelanalyse van beeldinhoud zal door deze verschuiving negatief worden beïnvloed. Om dit effect te onderdrukken, wordt aanbevolen om het hele volume langs het optische pad dat wordt beïnvloed door turbulenties te bedekken met een laminaire luchtstroom van een ventilator.

Dit artikel is geschreven door Timo Eckhard, teamleider Research &Innovation, Innovation &IP Management; en Sebastian Georgi, Research &Innovation Manager, Chromasens GmbH (Konstanz, Duitsland). Voor meer informatie kunt u contact opnemen met de heer Eckhard via Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien., Mr. Georgi op Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien., of bezoek hier .