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Monday, 18 Dicembre 2017
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L’importanza della robustezza nelle lenti per la visione

Quando si utilizzano sistemi calibrati in ambienti industriali - nello specifico, in applicazioni di automazione, robotica e controllo industriale - la stabilità della lente è di primaria importanza.
I progettisti ottici possono migliorare questa caratteristica, rendendo la lente più resistente a forti impatti e vibrazioni, attraverso un processo detto ruggedization (irrobustimento).

di Daniel Adams

Novembre-Dicembre 2017

Le lenti imaging sono un elemento cruciale nell’industria manifatturiera attuale. Il funzionamento di applicazioni di automazione di fabbrica, robotica e ispezione industriale si basa, infatti, su sistemi di visione di alta qualità. Purtroppo, applicazioni di questo tipo sono associate a condizioni ambientali difficili come scosse, vibrazioni e cambi di temperatura. Fattori esterni come questi possono alterare la regolazione degli elementi interni di una lente e generare errori di puntamento, causa di enormi problemi in un sistema che è stato accuratamente calibrato. Per contrastare tutto ciò, sono state sviluppate nuove tipologie di lenti “irrobustite” (ruggedized), in grado di far fronte alle sfide della precisione nelle applicazioni industriali.

Come gestire l’instabilità
Innanzitutto, è importante comprendere l’impatto che scosse e vibrazioni possono avere sulla performance delle lenti imaging. Una lente a lunghezza focale fissa standard avrà un insieme di elementi allineati con precisione durante il processo di assemblaggio. Questi singoli elementi sono riuniti in una meccanica complessa per consentire la corretta regolazione della messa a fuoco. Inoltre, molte di queste lenti avranno un diaframma iris regolabile composto da un insieme di lamelle di metallo. La Figura 1 mostra una sezione trasversale di una tipica lente a lunghezza focale fissa.
Gli elementi della lente sono posti nella cavità interna del cilindro. Lo spazio tra il diametro esterno della lente e il diametro interno del cilindro è molto ridotto (tipicamente inferiore a 50 µ). Nonostante lo spazio limitato, decentrare gli elementi anche di qualche decimo di µ è sufficiente per alterare in modo significativo il puntamento della lente. Le vibrazioni o i forti impatti, infatti, possono causare disallineamenti importanti.
In qualsiasi sistema di imaging, l’oggetto è mappato sulla base dell’immagine. Ciò significa che ogni punto dell’oggetto è correlato a un punto specifico dell’immagine. Se, quindi, un elemento è spostato anche di pochi decimi di µ, il puntamento cambia e la posizione dell’immagine si sposta leggermente (instabilità di puntamento). In un sistema calibrato, equipaggiato con un elaborato software in grado di processare algoritmi complessi, lo spostamento, anche minimo, dell’immagine può alterare completamente il risultato. Per esempio, in applicazioni di grande precisione, come la visione stereo 3D o la sensitività nella robotica, il puntamento deve essere stabilizzato con valori molto inferiori rispetto a un singolo pixel.

Tre modi per ottenere la robustezza
I progettisti ottici possono migliorare la stabilità nell’assemblaggio della lente e la sua resistenza a forti impatti e vibrazioni in diversi modi. Questo processo è detto ruggedization (irrobustimento) e qui di seguito sono illustrati alcuni dei metodi che possono essere usati.
1-Rimuovere l’apertura variabile. Sostituire l’apertura variabile con una fissa è un modo semplice ma efficace. Mentre un diaframma iris a lamelle multiple è molto utile in una lente a lunghezza focale fissa standard con un numero elevato di fragili parti mobili, può invece causare problemi in certe condizioni. Le sottili lamelle del diaframma iris possono facilmente uscire dal loro alloggiamento e, quindi, essere danneggiate in ambienti caratterizzati da scosse o vibrazioni; rimuoverle è un cambiamento semplice che ha l’effetto di aumentare notevolmente la durata delle lenti. La Figura 2 mostra una sezione trasversale di una lente industriale irrobustita (metodi 1 e 2).
2-Semplificare la messa a fuoco. Anche il meccanismo di messa a fuoco può essere reso più semplice: il cilindro a doppia filettatura non rotante è sostituito da una semplice filettatura singola e da un meccanismo di bloccaggio rigido, che può essere una morsa, un dado o delle viti di fissaggio.
3-Stabilizzare gli elementi. Per rendere la lente ancora più resistente alle vibrazioni esterne, i singoli elementi possono essere incollati nelle loro posizioni perché non si muovano all’interno dell’alloggiamento. Dei fori ai lati dell’alloggiamento stesso permettono di aggiungere la colla in punti strategici, garantendo così una maggiore stabilità. La Figura 3 mostra una sezione trasversale di una lente irrobustita stabilizzata, con l’illustrazione di questa tecnica.

Equilibrio tra pro e contro
I primi due metodi hanno anche un alto rapporto costo/beneficio, dovuti all’eliminazione di parti meccaniche complesse e a un processo di assemblaggio semplificato. D’altro canto, stabilizzare gli elementi richiede uno sforzo ingegneristico aggiuntivo e un’ulteriore azione di assemblaggio che implica un aumento dei costi. I metodi 1 e 2, insieme, sono noti come industrial ruggedization (vedi Figura 2). Il metodo 3 (insieme con l’1 e il 2) è noto come stability ruggedization (vedi Figura 3).
La combinazione di alcuni - o tutti - questi metodi permette ai progettisti di realizzare lenti molto stabili e affidabili, ma ci sono anche degli svantaggi, tra cui spicca una minore flessibilità. Cambiare la f-stop senza un’apertura variabile non è un compito semplice e, nella maggior parte dei casi, implica l’utilizzo di una lente diversa. Utilizzando solo una filettatura singola per il fuoco, la corsa non sarà liscia e farà sì che l’ottica ruoti durante la messa a fuoco: anche questo può provocare instabilità nel puntamento. Inoltre, il meccanismo di bloccaggio più rigido rende molto più complicato regolare il fuoco e tipicamente richiede attrezzi speciali, come chiavi esagonali o grosse chiavi inglesi. Tuttavia, nella gran parte delle applicazioni industriali questi svantaggi non generano problemi, dal momento le lenti standard sono solitamente utilizzate per determinare le impostazioni per la macchina. Una volta stabilite le impostazioni, una lente irrobustita può essere sostituita nell’applicazione e impostata una volta secondo fuoco e f-stop appropriati senza necessità di ulteriori modifiche.

La stabilità delle lenti di imaging
Quando si utilizzano sistemi calibrati in ambienti industriali, la stabilità della lente è di primaria importanza. Se il punto di un oggetto è al centro del campo visivo e ricade esattamente nel pixel centrale, deve sempre ricadere lì. Il processo di irrobustimento è un modo per garantire la stabilità e proteggere contro vibrazioni e urti provenienti dall’esterno. È necessario sacrificare la stabilità ma una volta determinate le impostazioni finali questo non è più un problema: poter fissare tutto in modo sicuro garantisce un grande vantaggio. Esistono diversi livelli di robustezza, ed è importante considerare le esigenze di ogni singola applicazione per essere sicuri di avere la giusta combinazione di costo e prestazioni.

QUALIFICA AUTORE
Daniel Adams è Product Marketing Manager, Edmund Optics Europe

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Mercato

Comunicazione tecnica per l'industria