Voorkom Hittestoring in Line-scan Machine Vision Camera's

Invloed van Warmteconvectie op Beeldkwaliteit en Oplossingen

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

In machine vision kunnen druk en vochtigheid meestal constant worden aangenomen over het gehele optische pad. Er is echter een uitzondering als er turbulente luchstromen in het optische pad zitten die lokale drukveranderingen veroorzaken. Een typische oorzaak voor turbulentie is warmteconvectie tussen onderdelen met verschillende temperaturen. Veelvoorkomende warmtebronnen in machine vision zijn verlichting, hoge-belasting elektronica, of hoge-temperatuur monsters zoals gegoten metaal.

Invloed op Imaging

De verschillende brekingsindices in de turbulente lucht werken als een gradientlens die de beeldinhoud in de betrokken gebieden verwoest. De omvang en uitbreking van de vervorming is te complex en te afhankelijk van de opstelling om wiskundig te modelleren. In plaats daarvan tonen we een voorbeeldmeting van dit effect om de typische omvang weer te geven en u te helpen het in uw eigen opstelling te meten.

In een line-scan camera is de optische vervorming constant voor elke lijn langs de scannrichting en daarom niet zichtbaar in de afbeelding. Dit feit reduceert het probleem tot één ruimtelijke dimensie – loodrecht op de scanrichting – en de tijdsdimensie. Beide dimensies kunnen tegelijk waargenomen worden door een afbeelding van een statisch doel met de line-scan camera op te nemen. De optische vervorming verschuift de positie van de beeldinhoud in x-richting, terwijl de uitbreiding van de vervorming in y-richting de tijdsinformatie vertegenwoordigt.

Deze verschuiving kan gemakkelijk gemeten worden door een statisch lijnenpatroon te imageren. Het basisprincipe van deze meting is weergegeven in Figuur 1. Een referentiebeeld intensiteitsprofiel wordt genomen door een gebied van interesse te gemiddeld dat een gebied van een paar kolommen rond elke x-positie bevat (weergegeven in groen). Een vierkant testblok (weergegeven in rood) wordt langs de hele kolom bewogen en voor elke positie worden de testdata in subpixelschritten via interpolatie verschoven. De verschuiving met de hoogste correlatie tussen test en referentie wordt voor elke pixel vastgelegd en in een kleurenschalaafbeelding geplot om de data te visualiseren.

Figuur 2 toont deze visualisatie van een statisch lijnenpatroonbeeld opnamen met een Chromasens allPIXA camera met 5 μm optische resolutie. De warmtebron is de Chromasens Corona II buisverlichting die op maximale LED-stroom werkte. In deze opstelling is de omvang van de optische vervorming in het bereik van <0,15 pixel. De turbulenties zijn zichtbaar in het verschuivingsbeeld als gebieden van vergelijkbare vervorming. Ze strekken zich uit over een grootte van 10-30 mm en persistieren 200-800 ms.

Deze meting toont aan dat de omvang van de beeldstoring door warmteconvectie van standaardverlichting geen merkbare impact heeft voor standaard inspectietaken. Echter, gespecialiseerde beeldverwerkingstaken die afhankelijk zijn van subpixel-nauwkeurigheid (bijv. subpixel-nauwkeurige kenmerkextractie of subpixel-gebaseerde beeldcorrelatie) zullen waarschijnlijk verminderde meetnauwkeurigheid vertonen door deze vervormingen.

Onderdrukking van Beeldvervorming

Het beeldvervormingseffect kan onderdrukt worden door de turbulenties te voorkomen. Hiervoor kan een ventilator gebruikt worden om een laminaire luchtstroom te creëren. Omdat de druk in een laminaire stroom constant is, zullen er geen gradientlenseffecten optreden. De luchtstroom moet het gehele oppervlak van de warmtebron bedekken, of het gehele volume van het optische pad waar turbulenties waarschijnlijk zijn.

De tweede optie is meestal gemakkelijker te realiseren voor line-scan camera's omdat het optische pad beperkt is tot een vlak. De ventilator kan daarom aan de zijkant van de camera geïnstalleerd worden met de stroomrichting langs de sensorlijn. In het bovenstaande voorbeeld moet de lucht in het volume direct onder de kijkschuif van de buisverlichting door een laminaire stroom geperfuseerd worden. Omdat de zijwanden van de verlichting directe zijtoegang voor de luchtstroom blokkeren, werd de ventilator bovenop de buisverlichting geïnstalleerd en blaast in de kijkschuif onder een scheve hoek zoals getoond in Figuur 3. Deze methode verminderde de omvang van de vervorming tot een onwaarneembare kleine grootte.

Conclusie

Een warmtebron in de buurt van het optische pad kan beeldvervorming introduceren die lokaal de positie van de beeldinhoud verschuift. Voor line-scan camera's bestaan er beeldgebieden met vergelijkbare verschuiving die enkele mm van het zichtveld bedekken en in de tijdspanne van ongeveer één seconde ontstaan en verdwijnen. Subpixel-analyse van beeldinhoud wordt negatief beïnvloed door deze verschuiving. Om dit effect te onderdrukken, wordt aanbevolen het gehele volume langs het optische pad dat beïnvloed wordt door turbulenties te bedekken met een laminaire luchtstroom van een ventilator.

Dit artikel is geschreven door Timo Eckhard, Team Leader Research & Innovation, Innovation & IP Management; en Sebastian Georgi, Research & Innovation Manager, Chromasens GmbH (Konstanz, Duitsland). Voor meer informatie, contacteer Mr. Eckhard via dit e-mailadres (beschermd tegen spambots, JavaScript vereist), Mr. Georgi via dit e-mailadres (beschermd tegen spambots, JavaScript vereist), of bezoek hier.