راهنمای جامع و تخصصی لنزهای ماشین بینایی Hikrobot: مهندسی نور برای دقت صنعتی

مقدمه: جایی که فوتون‌ها به دیتا تبدیل می‌شوند

در دنیای بینایی ماشین (Machine Vision)، ضرب‌المثلی هست که می‌گوید: نرم‌افزار بد را می‌توان اصلاح کرد، اما تصویر بد ناشی از لنز نامناسب را با هیچ الگوریتمی نمی‌توان نجات داد. لنز، دروازه‌ی ورود اطلاعات به سیستم بینایی است. شرکت Hikrobot که به عنوان یکی از غول‌های نوظهور در عرصه اتوماسیون صنعتی شناخته می‌شود، سبد محصولات اپتیکی خود را با تمرکز بر سه اصل طراحی کرده است: رزولوشن بالا (Ultra-High Resolution)، یکنواختی تصویر (Image Uniformity) و مقرون‌به‌صرفه بودن.

در این مقاله، ما کالبدشکافی دقیقی از لنزهای سری MVL هایک‌ربات خواهیم داشت. ما فقط مدل‌ها را لیست نمی‌کنیم؛ بلکه به عمق فیزیک نوری می‌رویم تا بفهمیم چرا یک لنز سری KF برای سنسورهای ۱.۱ اینچی حیاتی است و چگونه پوشش‌های چندلایه (Multi-coating) این شرکت، پدیده Ghosting را در محیط‌های پرنور صنعتی حذف می‌کنند.

فصل اول: زبان طراحی و رمزگشایی مدل‌ها (Naming Convention)

برای یک مهندس بینایی ماشین، نام مدل یک لنز (Part Number) فقط یک کد نیست؛ بلکه شناسنامه‌ی کامل آن قطعه است. هایک‌ربات از یک سیستم نام‌گذاری منطقی (Logical Naming Rule) استفاده می‌کند که با درک آن، نیمی از راه انتخاب لنز را رفته‌اید.

بیایید مدل فرضی اما استاندارد MVL-HF1628M-6MP را کالبدشکافی کنیم:

1. MVL (Machine Vision Lens): نشان‌دهنده این است که این لنز برای کاربردهای صنعتی طراحی شده (پیچ‌های قفل‌دار برای فوکوس و دیافراگم دارد) و لنز CCTV معمولی نیست.
2. سری محصول (H/K/M/L): این مهم‌ترین حرف در کد است:

• H: سری High Resolution (معمولاً برای سنسورهای ۱/۱.۸ تا ۲/۳ اینچ).
• M: سری Standard/Megapixel (برای کاربردهای عمومی).
• K: سری سنسور بزرگ (برای سنسورهای ۱ اینچ و ۱.۱ اینچ مثل سری Sony IMX183/253).
• L: سری Large Format (برای لاین اسکن و سنسورهای خیلی بزرگ).

3. F: نوع فوکوس (Fixed Focal Length).
4. 16: فاصله کانونی (Focal Length) به میلی‌متر. در اینجا ۱۶ میلی‌متر.
5. 28: حداکثر گشودگی دیافراگم (F-Number). عدد ۲۸ یعنی F2.8.
6. M: نوع مانت یا کنترل عنبیه (معمولاً Manual Iris).
7. 6MP: رزولوشن پیشنهادی (مگاپیکسل). این عدد نشان‌دهنده قدرت تفکیک (Resolving Power) لنز است.

 

 

فصل دوم: تکنولوژی‌های اپتیکی در لنزهای FA (Factory Automation)

لنزهای Area Scan یا همان FA، ستون فقرات سیستم‌های بازرسی بصری هستند. هایک‌ربات در این بخش چندین سری قدرتمند دارد که هر کدام برای سایز پیکسل (Pixel Size) خاصی بهینه شده‌اند. بیایید عمیق تر شویم و منحنی‌های MTF را بررسی کنیم.

۱. سری HF: قهرمانان رزولوشن بالا (High-Res 1/1.8” & 2/3”)

سری HF برای دوربین‌هایی با پیکسل‌های کوچک (حدود ۲.۴ تا ۳.۴۵ میکرومتر) طراحی شده است.

• چالش فیزیکی: وقتی پیکسل‌های سنسور کوچک می‌شوند، لنز باید بتواند خطوط بسیار نزدیکی را از هم تفکیک کند (Spatial Frequency بالا). لنزهای معمولی در اینجا دچار تاری می‌شوند حتی اگر فوکوس باشند.
• راه‌حل Hikrobot: در سری HF، از عدسی‌های با ضریب شکست بالا و پراکندگی کم (Low Dispersion Glass) استفاده شده تا اعوجاج رنگی (Chromatic Aberration) به حداقل برسد.
• کاربرد: ایده‌آل برای خواندن بارکدها، بازرسی بردهای PCB و کنترل کیفیت قطعات الکترونیکی ریز.

 

 

۲. سری KF: غول‌های سنسور بزرگ (1.1” Format)

با ورود سنسورهای قدرتمند سونی مثل سری IMX253 و IMX530، نیاز به لنزهایی بود که دایره تصویر (Image Circle) بزرگتری داشته باشند (۱۷.۶ میلی‌متر).

• مشکل Vignetting: اگر لنز معمولی روی این سنسورها ببندید، گوشه‌های تصویر تاریک می‌شود.
• مهندسی سری KF: این لنزها دایره تصویر بزرگتری تولید می‌کنند و مهم‌تر از آن، Relative Illumination (روشنایی نسبی) در لبه‌ها را بالای ۸۰٪ نگه می‌دارند. این یعنی پردازش تصویر شما در لبه‌های کادر به اندازه مرکز کادر دقیق خواهد بود.
• رزولوشن: پشتیبانی تا ۲۵ مگاپیکسل.

 

 

۳. سری LF: فرمت عریض (Large Format)

این سری، هیولاهای اپتیکی هایک‌ربات هستند. طراحی شده برای سنسورهای فول‌فریم یا دوربین‌های لاین‌اسکن با سنسورهای ۴K و ۸K.

• مانت (Mount): معمولاً از مانت‌های بزرگتر مثل M42 یا F-Mount استفاده می‌کنند چون گلویی C-Mount برای عبور نور این لنزها خیلی تنگ است.
• اعوجاج (Distortion): تقریباً صفر (کمتر از ۰.۱٪). در کاربردهای اندازه‌گیری دقیق (Metrology)، این ویژگی حیاتی است چون نرم‌افزار نیاز به کالیبراسیون سنگین نخواهد داشت.

 

 

فصل سوم: پارامترهای حیاتی در انتخاب لنز Hikrobot

وقتی کاتالوگ لنزهای Hikrobot را باز می‌کنید، با اعدادی روبرو می‌شوید که درک آن‌ها تفاوت بین یک پروژه موفق و شکست‌خورده است.

الف) Modulation Transfer Function (MTF)

این “مقدس‌ترین” نمودار در اپتیک است. لنزهای هایک‌ربات سری Machine Vision طوری طراحی شده‌اند که کنتراست (Contrast) را حتی در فرکانس‌های فضایی بالا (مثلاً ۱۴۰ جفت‌خط در میلی‌متر – lp/mm) حفظ کنند.

• تفاوت با لنز CCTV: لنزهای امنیتی (CCTV) تمرکزشان روی مرکز تصویر است. اما لنزهای سری FA هایک‌ربات دارای منحنی MTF “تخت” هستند؛ یعنی رزولوشن در گوشه‌های تصویر (Edge) تقریباً به خوبی مرکز تصویر (Center) است. این برای خواندن QR Code که در گوشه تسمه نقاله قرار دارد، حیاتی است.

ب) Working Distance (WD) و Minimum Object Distance (MOD)

لنزهای سری FA هایک‌ربات دارای مکانیزم فوکوس شناور (Floating Focus Mechanism) هستند که عملکرد اپتیکی را در فواصل مختلف بهینه می‌کند.

• نکته فنی: بسیاری از لنزها در بی‌نهایت عالی هستند اما در فاصله ۱۰ سانتی‌متری افت کیفیت شدید دارند. لنزهای سری MVL-MF و MVL-HF برای فواصل کاری کوتاه (Short WD) که در خطوط تولید رایج است، بهینه‌سازی شده‌اند.

ج) Locking Screws (پیچ‌های قفل‌کننده)

شاید ساده به نظر برسد، اما در محیط صنعتی با لرزش بالا (مثلاً روی بازوی ربات یا کنار دستگاه پرس)، رینگ فوکوس نباید تکان بخورد. تمام لنزهای صنعتی هایک‌ربات (برخلاف مدل‌های امنیتی) دارای پیچ‌های قفل‌کننده (Thumb Screws) برای حلقه فوکوس و دیافراگم هستند تا در برابر شوک و لرزش مقاوم باشند.

 

 

فصل چهارم: مقایسه سری‌های مختلف 

برای اینکه انتخاب راحت‌تری داشته باشید، من این دسته‌بندی ذهنی را بر اساس تجربه و دیتای فنی آماده کرده‌ام:

فصل پنجم: لنزهای تله‌سنتری (Telecentric)؛ حذف پرسپکتیو

اگر با لنزهای معمولی (Entocentric) از یک مکعب عکس بگیرید، سطح بالایی آن بزرگتر از سطح پایینی دیده می‌شود (مثل ریل قطار که در دوردست به هم می‌رسد). این پدیده “خطای پرسپکتیو” یا Parallax Error نام دارد. در کاربردهای اندازه‌گیری دقیق (Metrology)، این خطا فاجعه است.

راه‌حل Hikrobot: سری MVL-MT

هایک‌ربات با سری لنزهای تله‌سنتری (معمولاً با پیشوند MT شناخته می‌شوند)، پرتوهای نور را موازی با محور اپتیکی لنز مدیریت می‌کند.

۱. ویژگی‌های کلیدی سری MT:

• بزرگنمایی ثابت (Fixed Magnification): برخلاف لنزهای معمولی که با فاصله کانونی (mm) شناخته می‌شوند، لنزهای تله‌سنتری با “بزرگنمایی” (مثلاً 0.5X, 1X, 2X) فروخته می‌شوند.
• حذف پرسپکتیو: اگر جسم ۱۰ میلی‌متر به لنز نزدیک یا دور شود، اندازه آن در تصویر تغییر نمی‌کند! این ویژگی برای اندازه‌گیری قطعاتی که لرزش دارند یا ارتفاعشان متغیر است، حیاتی است.
• تله‌سنتری‌سیتی (Telecentricity): در مدل‌های پیشرفته Hikrobot، زاویه پرتو اصلی (Chief Ray Angle) کمتر از ۰.۱ درجه است. یعنی اعوجاج تقریباً صفر.

 

۲. انواع دسته‌بندی در کاتالوگ:

• Object-Side Telecentric: فقط پرتوهای سمت جسم موازی هستند. ارزان‌تر و رایج‌تر.
• Bi-Telecentric: هم سمت جسم و هم سمت سنسور تله‌سنتری است. این گران‌ترین و دقیق‌ترین نوع لنز است که Hikrobot برای کاربردهای سوپر-دقیق (Gauge Measurement) ارائه می‌دهد. دقت اندازه‌گیری با این لنزها می‌تواند به زیر ۱ میکرون برسد.

فصل ششم: لنزهای لاین اسکن (Line Scan)؛ اسکنرهای بی‌نهایت

وقتی می‌خواهید سطح یک رول کاغذ، پارچه، یا ورق فولادی را که با سرعت بالا حرکت می‌کند بازرسی کنید، دوربین‌های معمولی (Area Scan) جا می‌مانند. اینجا از دوربین‌های خطی (Line Scan) استفاده می‌شود که تصویر را خط‌به‌خط می‌سازند. لنزهای این دوربین‌ها داستان کاملاً متفاوتی دارند.

سری‌های Large Format هایک‌ربات

لنزهای لاین اسکن باید دایره تصویر (Image Circle) بسیار بزرگی داشته باشند (از ۳۰ میلی‌متر تا ۸۲ میلی‌متر) تا سنسورهای خطی طولانی (4K, 8K, 16K) را پوشش دهند.

۱. چالش‌های اپتیکی:

• یکنواختی شدید (Uniformity): در لاین اسکن، اگر لبه‌های لنز کمی تاریک‌تر از مرکز باشد (Vignetting)، در تصویر نهایی که پیوسته است، خطوط تیره‌ای روی کل محصول می‌افتد. لنزهای سری لاین اسکن Hikrobot برای یکنواختی بالای ۹۰٪ طراحی شده‌اند.
• کوتینگ‌های ضد بازتاب (Anti-Reflective Coating): این لنزها معمولاً المان‌های شیشه‌ای بزرگی دارند. پوشش‌های چندلایه هایک‌ربات بازتاب نور را به حداقل می‌رسانند تا “Ghost Image” ایجاد نشود.

۲. مانت‌های خاص (Mounts):

فراموش نکنید که این لنزها به ندرت C-Mount هستند.

• F-Mount: استاندارد رایج نیکون (Nikon)، استفاده شده در بسیاری از دوربین‌های 4K و 8K.
• M42 / M58 / M72: مانت‌های پیچی صنعتی برای سنسورهای خیلی بزرگ. لنزهای سری MVL-LF هایک‌ربات با مانت‌های مختلف و تبدیل‌های فلنج (Flange Adapters) ارائه می‌شوند تا با دوربین‌های مختلف سازگار باشند.

 

 

فصل هفتم: راهنمای عملی انتخاب لنز 

حالا که با انواع لنزها آشنا شدیم، چطور لنز مناسب پروژه خود را از کاتالوگ Hikrobot انتخاب کنیم؟ به عنوان یک مهندس، باید دست به ماشین‌حساب شوید.

گام ۱: تعیین میدان دید (FOV)

چه ابعادی را می‌خواهید ببینید؟ (مثلاً عرض تسمه نقاله ۳۰۰ میلی‌متر است).

گام ۲: تعیین فاصله کاری (WD)

دوربین چقدر می‌تواند از جسم فاصله داشته باشد؟ (محدودیت‌های فیزیکی دستگاه).

گام ۳: انتخاب سنسور دوربین

سایز سنسور دوربین را چک کنید (مثلاً سنسور 2/3 اینچ دارای عرض ۸.۸ میلی‌متر است).

گام ۴: فرمول طلایی

فاصله کانونی لنز ($f$) از فرمول زیر به دست می‌آید:

$$f = \frac{WD \times SensorSize}{FOV}$$

مثال واقعی:

• می‌خواهیم یک برد PCB با عرض ۱۰۰ میلی‌متر را بازرسی کنیم ($FOV = 100mm$).
• دوربین باید در فاصله ۳۰۰ میلی‌متری نصب شود ($WD = 300mm$).
• دوربین انتخابی ما Hikrobot MV-CA050 با سنسور 2/3 اینچ (عرض سنسور ۸.۸ میلی‌متر) است.

$$f = \frac{300 \times 8.8}{100} = 26.4 mm$$

نتیجه: نزدیک‌ترین لنز استاندارد در کاتالوگ Hikrobot، لنز ۲۵ میلی‌متر است (مثلاً مدل MVL-HF2528M). از آنجایی که ۲۵ کمتر از ۲۶.۴ است، میدان دید کمی بازتر می‌شود که مشکلی نیست (می‌توان دوربین را کمی جلوتر برد یا تصویر را کراپ کرد).

فصل هشتم: اکسسوری‌ها؛ قهرمانان خاموش

یک سیستم اپتیکی بدون فیلترها و مبدل‌ها کامل نیست. هایک‌ربات طیف وسیعی از این قطعات را ارائه می‌دهد:

1. Extension Tubes (رینگ‌های اکستنشن): اگر نیاز دارید لنز را به جسم خیلی نزدیک کنید (فاصله کاری کمتر از حد استاندارد لنز)، با اضافه کردن یک رینگ ۵ میلی‌متری بین لنز و دوربین، لنز را به ماکرو تبدیل می‌کنید.
2. فیلترهای پلاریزه (Polarizers): قاتل بازتاب نور! اگر روی قطعات براق یا فلزی کار می‌کنید، این فیلتر روی لنز نصب می‌شود و بازتاب‌های مزاحم (Glare) را حذف می‌کند.
3. فیلترهای Bandpass: اگر از نور قرمز (Red Light) استفاده می‌کنید، یک فیلتر Red Bandpass روی لنز نصب کنید تا نور محیط (خورشید، مهتابی) تصویر شما را خراب نکند.

 

 

نتیجه‌گیری نهایی

لنزهای ماشین بینایی Hikrobot ترکیبی از مهندسی دقیق اپتیکال و طراحی صنعتی مقاوم هستند.

• برای کارهای عمومی و دقیق: سری HF و KF (Area Scan).
• برای اندازه‌گیری دقیق ابعاد: سری MT (Telecentric).
• برای اسکن سطوح پیوسته و عریض: سری LF (Line Scan).

انتخاب درست لنز، تفاوت بین یک سیستم بینایی با خطای ۵٪ و یک سیستم با خطای ۰.۰۱٪ است. با درک پارامترهای MTF، اعوجاج و فرمول‌های محاسبه، اکنون می‌توانید کاتالوگ هایک‌ربات را نه به عنوان لیستی از کدها، بلکه به عنوان جعبه‌ابزاری از راه‌حل‌های مهندسی ببینید.