ITBS20130179A1

ITBS20130179A1 - Apparecchio per la visione artificiale

Info

Publication number: ITBS20130179A1
Application number: IT000179A
Authority: IT
Inventors: Claudio Sedazzari
Original assignee: Claudio Sedazzari
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2015-05-30
Also published as: CN105765339A; EP3074720A1; US10394005B2; KR20160091909A; JP2016540265A; US20160291297A1; WO2015079335A1; JP6567542B2; CN105765339B; EP3074720B1

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un apparecchio di visione artificiale, in particolare per effettuare misure dimensionali di oggetti, del tipo comprendente un obiettivo telecentrico.

Come è noto, la visione artificiale utilizza comunemente obiettivi telecentrici per applicazioni di misura dimensionale. In figura 1 è riportato uno schema ottico di un obiettivo telecentrico secondo la tecnica nota.

Un obiettivo telecentrico 10 ha un asse opto-meccanico principale X e comprende un gruppo ottico frontale 12 adatto a ricevere i raggi provenienti dall’oggetto da osservare ed un gruppo ottico posteriore 14, adatto a convogliare detti raggi verso un sensore dell’apparecchio di visione. L’obiettivo telecentrico 10 si distingue da un obiettivo tradizionale, o “entocentrico” per il fatto che accetta, dall’oggetto che osserva, solo quei coni di raggi R il cui raggio baricentrico (o raggio principale) sia parallelo all’asse opto-meccanico principale X. Per questo motivo, un obiettivo telecentrico deve avere una lente frontale FL almeno larga quanto la diagonale dell’oggetto da riprendere. In un obiettivo telecentrico l’apertura 16 è posta nel fuoco del gruppo frontale: questo fa sì che la pupilla di ingresso sia vista, dai raggi che entrano nel sistema ottico, come se si trovasse all’infinito. Questo tipo di obiettivi, infatti, viene chiamato telecentrico proprio perché la pupilla d’ingresso (ovvero il “centro” di un sistema ottico) è virtualmente all’infinito.

Gli obiettivi telecentrici vengono impiegati principalmente in quanto permettono di correggere otticamente l’errore di parallasse, cioè il fenomeno per cui gli oggetti che sono più vicini all’osservatore appaiono relativamente più grandi. Indipendentemente dalla distanza di lavoro, infatti, con un obiettivo telecentrico le dimensioni dell’oggetto inquadrato rimangono le stesse.

Una parte consistente delle applicazioni di misura dimensionale richiede inoltre che l’illuminazione dell’oggetto avvenga nella stessa direzione in cui avviene l’osservazione. Inoltre viene richiesto che tale illuminazione sia collimata, ovvero che i raggi che raggiungono l’oggetto siano sostanzialmente paralleli tra loro ed all’asse ottico principale.

Come rappresentato schematicamente nella figura 2, tale scopo si raggiunge normalmente inserendo all’interno del sistema ottico un “beam splitter” BS, ovvero uno specchio semi-riflettente, posizionato in modo tale da utilizzare il gruppo ottico frontale 12 dell’obiettivo telecentrico come gruppo ottico di collimazione per i raggi luminosi emessi dalla sorgente di illuminazione S. Tale gruppo ottico frontale 12 serve anche come collettore dei raggi riflessi o diffusi dall’oggetto e quindi partecipa alla formazione dell’immagine, assieme agli altri componenti ottici eventualmente presenti nel sistema ottico dell’obiettivo telecentrico medesimo. Tale soluzione comporta però seri problemi derivanti dalla presenza del beam splitter medesimo, che inserito all’interno del sistema ottico, altera la qualità dell’immagine aggiungendo astigmatismo all’immagine stessa.

Un secondo problema è dato dal fatto che la proiezione di luce all’interno dell’obiettivo causa normalmente problemi derivanti dalla stray-light, ovvero dalla luce diffusa dalla meccanica interna all’obiettivo che crea artefatti nell’immagine.

Per ovviare a questo secondo problema è necessario dotare il sistema ottico ed il sistema di illuminazione di coppie di elementi polarizzatore/analizzatore che riducono gli effetti della stray-light: tale configurazione riduce però anche la luminosità dell’obiettivo ed obbliga a rendere il design ottico dell’obiettivo telecentrico più complesso, ovvero obbliga a realizzare obiettivi con un’apertura molto ampia e tale da accettare una quantità maggiore di luce, in modo da compensare il decadimento della luce causato dalle coppie polarizzatore/analizzatore presenti nel sistema ottico.

Inoltre, il design ottico della parte frontale dell’obiettivo telecentrico è reso normalmente più complesso dalla necessità di prevenire un terzo problema, dato dalle riflessioni dirette provenienti dalle superfici ottiche degli elementi costituenti il gruppo frontale dell’obiettivo telecentrico.

Questi ultimi due problemi rendono la realizzazione di obiettivi telecentrici con illuminazione collimata integrata molto complessa e richiedono costi di fabbricazione elevati a causa del numero di componenti ottici presenti nell’obiettivo stesso.

Scopo della presente invenzione è quello di proporre un apparecchio di visione con obiettivo telecentrico in grado di ovviare agli inconvenienti sopra lamentati con riferimento alla tecnica nota.

Un altro scopo dell’invenzione è quello di fornire un apparecchio di visione artificiale basato su un obiettivo telecentrico che, pur essendo provvisto di un dispositivo di illuminazione coassiale, ha un sistema ottico particolarmente semplificato.

Detti scopi sono conseguiti con un apparecchio per la visione artificiale secondo la rivendicazione 1. Le rivendicazioni dipendenti descrivono forme di realizzazione preferite dell’invenzione.

Le caratteristiche e i vantaggi dell’apparecchio di visione secondo l’invenzione risulteranno comunque evidenti dalla descrizione di seguito riportata di suoi esempi preferiti di realizzazione, dati a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento alle allegate figure, in cui:

- La figura 1 illustra lo schema ottico di un obiettivo telecentrico;

- La figura 2 illustra lo schema ottico dell’obiettivo telecentrico della figura 1, in cui è inserito un dispositivo di illuminazione secondo la tecnica nota;

- La figura 3 illustra un apparecchio di visione artificiale secondo l’invenzione;

- La figura 4 è una vista di fronte di un esempio preferito di realizzazione di un elemento semiriflettente per l’apparecchio secondo l’invenzione; e

- La figura 5 illustra un apparecchio di visione secondo l’invenzione in una variante realizzativa.

In detti disegni, con 1 è stato indicato un apparecchio per la visione artificiale secondo l’invenzione nel suo complesso.

L’apparecchio di visione 1 comprende un obiettivo telecentrico 10 ed un dispositivo di illuminazione 20 adatto ad illuminare un oggetto 2 da osservare. L’obiettivo telecentrico 10 ha un asse opto-meccanico principale X e comprende un gruppo ottico frontale 12 adatto a ricevere i raggi provenienti dall’oggetto da osservare ed un gruppo ottico posteriore 14, adatto a convogliare detti raggi verso un sensore 30 dell’apparecchio di visione. L’apertura dell’obiettivo telecentrico, indicata con 16 nelle figure 3 e 5, si trova tra il gruppo ottico frontale 12 ed il gruppo ottico posteriore 14.

Il gruppo ottico frontale 12 ha lo scopo di raccogliere i raggi provenienti dall’oggetto 2 in modo tale che l’asse di ciascun cono di raggi risulti parallelo all’asse opto-meccanico principale X in virtù della posizione dell’apertura 16 che giace nel piano focale del gruppo ottico frontale 12 medesimo. Il gruppo ottico posteriore 14, invece, raccoglie i raggi che attraversano l’apertura 16 e li focalizza sul sensore 30 per consentire la formazione dell’immagine. Secondo una realizzazione preferenziale di questo schema ottico, si posiziona il gruppo ottico posteriore 14 in modo tale che l’apertura 16 sia disposta anche sul piano focale del gruppo ottico posteriore 14 in modo tale da garantire che l’obiettivo risulti bitelecentrico. In un obiettivo bi-telecentrico, i coni di raggi originati dall’oggetto 2 e raccolti dal gruppo frontale 12, una volta attraversata l’apertura 16, raggiungono il sensore 30 in modo che l’asse di detto cono di raggi risulti perpendicolare al piano del sensore 30 medesimo.

In accordo con un aspetto dell’invenzione, il dispositivo di illuminazione 20 comprende un elemento semi-riflettente 22, noto nel gergo tecnico anche con il termine anglosassone di “beam-splitter”, posto oltre il gruppo frontale 12 nella direzione dell’oggetto da osservare. Questo elemento semi-riflettente 22 ha sostanzialmente la forma di una porzione di superficie di un paraboloide. Il dispositivo di illuminazione 20 comprende inoltre una sorgente di illuminazione 24 posizionata nel fuoco di detto paraboloide.

In tal modo, come rappresentato nella figura 3, i raggi di illuminazione provenienti dalla sorgente di illuminazione 24 sono riflessi dall’elemento semiriflettente 22 e sono inviati verso l’oggetto da osservare 2 paralleli tra loro e all’asse optomeccanico principale X. L’illuminazione dell’oggetto è quindi collimata e pertanto adatta alla visione telecentrica.

Da notare che i raggi luminosi, nel loro percorso di andata, non passano attraverso il sistema ottico dell’obiettivo telecentrico 10, in particolare non passano attraverso il gruppo ottico frontale 12.

I raggi di illuminazione, una volta raggiunto l’oggetto, vengono da questo riflessi e ritornano verso l’obiettivo telecentrico 10, passando attraverso l’elemento semi-riflettente 22.

In questo modo si ottengono i seguenti benefici:

- assenza di stray-light all’interno del sistema ottico;

- il sistema ottico non necessita di coppie polarizzatore/analizzatore al fine di abbattere il fenomeno della stray-light;

- si riducono gli effetti di astigmatismo dell’immagine, in quanto l’elemento semi-riflettente è posto all’esterno dell’ottica telecentrica.

In una forma di realizzazione, l’elemento semiriflettente 22 è realizzato in vetro o plastica trasparente. La sua superficie può essere poi trattata con un rivestimento che la rende parzialmente riflettente.

In una forma preferita di realizzazione, la superficie dell’elemento semi-riflettente 22 ha un’estensione almeno pari a quella dell’elemento ottico di maggiore estensione del gruppo frontale 12 (ovvero la lente frontale) dell’obiettivo telecentrico 10.

Inoltre, l’angolo β di accettazione della luce dell’elemento semi-riflettente 22 è maggiore dell’angolo α di accettazione dei raggi del gruppo frontale 12. Pertanto, l’elemento semi-riflettente 22 raccoglie e quindi riflette sull’oggetto 2 una quantità di luce emessa dalla sorgente luminosa 24 maggiore rispetto a quella che è in grado di raccogliere il gruppo frontale nel caso in cui l’elemento semiriflettente viene posizionato tra il gruppo frontale e l’apertura dell’obiettivo telecentrico, come nella tecnica nota illustrata nella figura 2.

Come conseguenza del design del sistema di illuminazione secondo l’invenzione, l’obiettivo telecentrico 10 può essere progettato in modo semplificato in quanto:

- essendo posizionato a valle del gruppo frontale dell’obiettivo telecentrico, non è più necessario prevenire le riflessioni interne causate dalle lenti del gruppo frontale dell’obiettivo stesso;

- non è necessario realizzare un obiettivo con un’apertura ampia per compensare le perdite di luminosità.

Per questo motivo, in accordo con un ulteriore aspetto dell’invenzione, è possibile realizzare obiettivi telecentrici con un design ottico inusitatamente semplificato. In particolare, come illustrato nella figura 5, è possibile realizzare un obiettivo telecentrico 100 comprendente:

- un gruppo frontale composto da due sole lenti 112 di forma piano-convessa e tra loro identiche;

- un gruppo posteriore anch’esso composto da due sole lenti 114 di forma piano-convessa e tra loro identiche. Questo design garantisce la fabbricazione di obiettivi telecentrici con illuminazione telecentrica molto compatti e notevolmente più economici di quelli presenti attualmente sul mercato.

In accordo con un ulteriore aspetto dell’invenzione, l’elemento semi-riflettente 22 può essere realizzato di forma rettangolare, quando visto frontalmente. In altre parole, la porzione di superficie di paraboloide è delimitata da quattro lati a due a due paralleli ed opposti. In tal modo si ottengono i seguenti vantaggi: - riduzione degli ingombri meccanici del dispositivo di illuminazione;

- riduzione dei costi di fabbricazione dell’elemento semi-riflettente;

- proiezione sull’oggetto da osservare di un’area luminosa rettangolare che indica chiaramente il target di osservazione per un obiettivo telecentrico che integri una telecamera con un sensore anch’esso rettangolare.

Da notare che il dispositivo di illuminazione 20 può essere realizzato sia all’interno dello stesso involucro che ospita il sistema ottico dell’obiettivo telecentrico 10, formando quindi un corpo unico con l’obiettivo telecentrico stesso, sia in forma di accessorio da accoppiare, solo in caso di necessità, ad un obiettivo telecentrico 10.

Pertanto, costituisce oggetto della presente invenzione anche un dispositivo di illuminazione per un obiettivo telecentrico comprendente un elemento semi-riflettente avente sostanzialmente la forma di una porzione di superficie di un paraboloide ed una sorgente di illuminazione posizionata nel fuoco di detto paraboloide ellittico. Il dispositivo di illuminazione è provvisto di un’interfaccia di accoppiamento al gruppo frontale di un obiettivo telecentrico, in modo che i raggi di illuminazione provenienti dalla sorgente di illuminazione e riflessi dalla superficie semiriflettente siano paralleli tra loro e all’asse optomeccanico principale dell’obiettivo telecentrico.

Alle forme di realizzazione dell’apparecchio per la visione artificiale secondo l’invenzione un tecnico del ramo, per soddisfare esigenze contingenti, potrà apportare modifiche, adattamenti e sostituzioni di elementi con altri funzionalmente equivalenti, senza uscire dall'ambito delle seguenti rivendicazioni. Ognuna delle caratteristiche descritte come appartenente ad una possibile forma di realizzazione può essere realizzata indipendentemente dalle altre forme di realizzazione descritte.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Apparecchio per la visione artificiale, in particolare per effettuare misure dimensionali di oggetti, comprendente un obiettivo telecentrico (10) ed un dispositivo di illuminazione (20) adatto ad illuminare un oggetto da osservare, dove detto obiettivo telecentrico ha un asse opto-meccanico principale (X) e comprende un gruppo ottico frontale (12) adatto a ricevere i raggi provenienti dall’oggetto osservato ed un gruppo ottico posteriore (14), adatto a convogliare detti raggi verso un sensore (30), caratterizzato dal fatto che detto dispositivo di illuminazione (20) comprende un elemento semiriflettente (22) posto oltre il gruppo ottico frontale (12) nella direzione dell’oggetto da osservare, ed avente sostanzialmente la forma di una porzione di superficie di un paraboloide, il dispositivo di illuminazione comprendendo una sorgente di illuminazione (24) posizionata nel fuoco di detto paraboloide, in modo che i raggi di illuminazione provenienti dalla sorgente di illuminazione e riflessi dall’elemento semi-riflettente siano paralleli tra loro e a detto asse opto-meccanico principale (X).
2. Apparecchio secondo la rivendicazione 1, in cui l’elemento semi-riflettente (22) ha un’estensione almeno pari a quella dell’elemento ottico di maggiore estensione del gruppo ottico frontale (12) dell’obiettivo telecentrico.
3. Apparecchio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’angolo di accettazione della luce dell’elemento semi-riflettente è maggiore dell’angolo di accettazione dei raggi del gruppo ottico frontale.
4. Apparecchio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’elemento semiriflettente (22), quando visto frontalmente, ha una forma rettangolare.
5. Apparecchio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il gruppo ottico frontale è composto da due sole lenti (112) di forma piano-convessa e identiche tra loro.
6. Apparecchio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il gruppo ottico posteriore (14) è composto da due sole lenti (114) di forma piano-convessa e identiche tra loro.
7. Dispositivo di illuminazione un obiettivo telecentrico, dove detto obiettivo telecentrico ha un asse opto-meccanico principale (X) e comprende un gruppo ottico frontale (12) adatto a ricevere i raggi provenienti dall’oggetto da osservare ed un gruppo ottico posteriore (14), adatto a convogliare detti raggi verso un sensore (30), caratterizzato dal fatto di comprendere un elemento semi-riflettente (22) avente sostanzialmente la forma di una porzione di superficie di un paraboloide ed una sorgente di illuminazione (24) posizionata nel fuoco di detto paraboloide, il dispositivo di illuminazione essendo provvisto di un’interfaccia di accoppiamento a detto gruppo ottico frontale (12) dell’obiettivo telecentrico, in modo che i raggi di illuminazione provenienti dalla sorgente di illuminazione e riflessi dall’elemento semi-riflettente siano paralleli tra loro e a detto asse opto-meccanico principale dell’obiettivo telecentrico.