Introduzione alle ottiche 360°

Diverse applicazioni di visione artificiale richiedono l'ispezione completa di un oggetto, individuando dettagli posizionati sui lati piuttosto che sulla sommità.

Per esempio, oggetti di forma cilindrica come bottiglie, contenitori e parti meccaniche, richiedono l'ispezione delle superfici laterali per evidenziare graffi e impurità, leggere un codice a barre o assicurarsi che scritte e diciture siano state stampate correttamente.

In casi come questi, l'approccio comune richiederebbe l'impiego di più sensori (solitamente tre o quattro) per acquisire le diverse viste laterali oltre alla vista standard. Questa soluzione, oltre ad aumentare il costo dell'intero sistema, porta a limitazioni in termine di performance: l'elettronica e il software devono infatti processare diverse immagini acquisite da diversi sensori simultaneamente.

In molti altri casi, i progettisti di sistemi di visione artificiale preferiscono integrare un sensore lineare per scansionare, linea per linea, la superficie esterna dell'oggetto. Questo approccio porta a diversi svantaggi di tipo tecnico ed economico, dal momento che l'oggetto deve essere messo in rotazione da un sistema meccanico che influenzerà la rapidità del controllo; inoltre le telecamere a sensori lineari richiedono un'illuminazione più potente dell'ordinario mentre al tempo stesso la larghezza del sensore lineare aumenta il fattore di ingrandimento, a scapito della profondità di campo.

Per queste ragioni molti integratori di sistema si orientano su soluzioni ottiche che permettono l'utilizzo di una singola telecamera senza dover ruotare la parte ispezionata. Diversi tipi di ottica rispondono a questa esigenza: i pericentrici PC, le ottiche per ispezione fori PCHI, i sistemi catadiottrici PCCD (multi-specchio) e altri tipi di sonde ottiche.

I pericentrici PC offrono agli integratori di sistema l'output ideale: una singola immagine contenente tutti gli elementi da ispezionare. Per facilitare ulteriormente l'esame, è possibile sviluppare l'immagine via software.

L'ispezione di superfici esterne può beneficiare un approccio basato su un sistema multi-specchio.

Una tecnica innovativa consiste nell'esame dell'oggetto utilizzando una lente telecentrica attraverso un sistema di specchi che circondano l'oggetto.

In questo modo è possibile acquisire quattro o più viste laterali dell'oggetto e, se gli specchi sono posizionati in modo tale da mantenere lo stesso percorso ottico, si avrà una perfetta messa a fuoco dell'oggetto. La lente telecentrica assicura inoltre che le diverse immagini presenteranno lo stesso fattore di ingrandimento e lo stesso angolo visuale, permettendo una facile ricostruzione via software. Per questo motivo una tale configurazione si rivela ideale per le applicazioni di misura.

Le ottiche Polyview PCPW uniscono i vantaggi tipici dei pericentrici PC e telecentrici TC con una maggiore semplicità costruttiva. Questi sistemi multi-specchio forniscono viste laterali multiple (4, 6, 8 e oltre) da una prospettiva obliqua, ideale per un'ispezione superficiale sia esterna che interna (fori e cavità). Tutte le immagini laterali vengono rappresentate sulla stessa inquadratura e, come nel caso dei pericentrici PC, una singola immagine contiene tutte le informazioni necessarie per procedere all'analisi.

Le ottiche PCPW presentano inoltre un'elevata risoluzione unita alla capacità di operare a bassi F/#, garantendo una rapida acquisizione dell'immagine.

Le ottiche PCPW Polyview possono essere impiegate con ottimi risultati per ispezionare le pareti interne di una cavità. Tuttavia, in alcuni casi altre soluzioni si rivelano più compatte ed efficienti.

Le ottiche per l'ispezione fori PCHI sono progettate in modo analogo ai Pericentrici, presentado un campo inquadrato curvo anziché piano: la serie PCHI mette perfettamente a fuoco cavità cilindriche, diventando così la soluzione ideale per un efficiente controllo di fori e contenitori.

L'ampio campo inquadrato fornisce una visuale dettagliata delle superfici interne senza dover inserire una sonda ottica all'interno dell'oggetto.

Le ottiche per ispezione fori PCHI si adattano a molte applicazioni ma non permettono una visuale perpendicolare della superficie interna di una cavità. Questo tipo di vista può essere richiesta per l'ispezione di alcuni oggetti filettati o qualora alcuni particolari non siano visibili dall'esterno.

In casi come questi si rende necessario l'inserimento di una sonda: un approccio comune prevede l'utilizzo di componenti basati su fibra ottica, come fibroscopi, boroscopi o altri strumenti che trasferiscono l'immagine della cavità sul sensore tramite un fascio di fibre ottiche coerenti. Purtroppo questi strumenti presentano limitazioni significative dovute al numero massimo di fibre utilizzabili, solitamente inferiori al numero di pixel di una telecamera a bassa risoluzione.

Al contrario, quando l'applicazione esige immagini ad alto contrasto è preferibile optare per un collegamento diretto dell'ottica alla telecamera: la sonda boroscopica PCBP è stata progettata appositamente per applicazioni di questo tipo. PCBP impiega infatti una speciale lente macro che esamina le pareti di una cavità attraverso uno specchio sferico o asferico, per individuare difetti presenti all'interno di uno specifico intervallo di profondità del foro. Nel caso in cui la profondità da ispezionare ricada all'interno dell'intervallo specificato, non sarà nemmeno necessario effettuare la scansione del foro.

Nel caso in cui i difetti interni alla cavità fossero di dimensioni molto ridotte si rende necessario un fattore di ingrandimento più alto e di conseguenza un campo inquadrato ridotto. In questa situazione solo una porzione della superficie può essere ispezionata, la sonda deve quindi scansionare l'altezza della cavità ed essere messa in rotazione per fornire una completa visuale a 360°.

Questo tipo di approccio richiede oltre a un accurato sistema di posizionamento per la sonda, software specifico per il matching delle immagini in grado di ottenere una rappresentazione completa della cavità a partire da numerose immagini parziali.