Le telecamere ad alta velocità e i relativi accessori per visione (illuminatori a LED, ottiche dedicate, sistemi di triggering e sincronizzazione) sono componenti fondamentali dei sistemi di visione artificiale industriale, in particolare per applicazioni di controllo qualità su linee veloci, analisi di moti rapidi, ispezione di prodotti in movimento, R&D di processi dinamici. Le frequenze di acquisizione possono superare le decine di migliaia di frame al secondo (fps) nelle versioni specialistiche per applicazioni scientifiche, mentre le telecamere industriali tipiche operano nel range 30-2000 fps con risoluzioni dal VGA fino a diversi megapixel.
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Sensori e architetture
I sensori utilizzati sono prevalentemente CMOS global shutter (per acquisizione simultanea di tutti i pixel, indispensabile su pezzi in movimento) con architetture interline o stacked BSI per migliorare sensibilità e velocità. Le interfacce di trasmissione dati spaziano dal GigE Vision (1, 5, 10 Gbps), USB3 Vision, CoaXPress (fino a 12,5 Gbps per canale), CameraLink. La sincronizzazione tra telecamera, illuminatore e processo si realizza tramite trigger hardware ad alta precisione temporale (µs).
Illuminazione
L’illuminazione è componente critica nei sistemi ad alta velocità: tempi di esposizione brevi (decine di µs) richiedono intensità luminose elevate. Gli illuminatori a LED sono i più diffusi grazie all’efficienza energetica, alla lunga durata e alla possibilità di operare in modo pulsato sincrono con l’acquisizione (strobe). Le configurazioni più utilizzate sono ad anello, dome, retroilluminazione, fascio collimato per silhouette, luce strutturata per 3D, luce coassiale per superfici riflettenti. La scelta del colore (rosso, blu, IR, bianco) ottimizza il contrasto del difetto sul materiale.
Applicazioni
Le telecamere alta velocità sono utilizzate nell’ispezione di linee di stampa e packaging veloci, nel controllo di componenti elettronici SMD, nella verifica di tappi e capsule, nella misura dimensionale di pezzi in movimento (estrusione, trafilatura), nell’analisi di moti rapidi (test airbag, crash test, balistica, fluido-dinamica), nello studio di vibrazioni meccaniche e di moti rotativi, nella ricerca scientifica e medica. Le applicazioni industriali tipiche raggiungono velocità di prodotto di diversi m/s con dimensioni di difetto rilevabili nell’ordine dei decimi di mm.
Accessori e ottiche
Le ottiche sono dimensionate al sensore e all’applicazione: lenti telecentriche per misure dimensionali di alta precisione (assenza di distorsione prospettica), lenti macro per dettagli fini, lenti standard fixed-focus, zoom motorizzati. Gli accessori comprendono filtri ottici (passa-banda, polarizzatori), supporti meccanici di precisione, cavi industriali schermati, frame grabber dedicati. Per ambienti gravosi sono disponibili custodie con grado di protezione IP65/IP67 e finestre in vetro temperato.
Criteri di scelta
La selezione di una telecamera alta velocità richiede l’analisi della velocità del processo (per definire fps minimi), della dimensione del difetto da rilevare (per definire risoluzione minima del sensore), dell’illuminazione disponibile (sensibilità), della distanza di lavoro (focale ottica), dell’interfaccia di acquisizione, della disponibilità di software di image processing. È raccomandato il dimensionamento congiunto di telecamera, ottica e illuminazione per garantire prestazioni effettive.
Per applicazioni di analisi del moto, le telecamere alta velocità sono spesso accoppiate a software di motion analysis e di tracking automatico di marcatori, abilitando misure quantitative di velocità, accelerazione e traiettoria di componenti meccanici in funzionamento dinamico, indispensabili nella fase di ricerca e sviluppo di nuovi prodotti.