الإضاءة الخلفية المنتشرة أو المتوازية للقياس البُعدي

قد تعطي إضاءتان خلفيتان لهما المساحة الباعثة نفسها والسطوع نفسه قطرين مختلفين بشكل قابل للقياس على القطعة نفسها. والفرق ليس في شدة الضوء؛ بل في الانتشار الزاوي، ويظهر على هيئة حافة تتحرك عندما تصبح القطعة أسمك.

تشرح هذه المقالة من أين يأتي هذا الخطأ، وما حجمه، والشرط الميكانيكي الوحيد الذي يحدد ما إذا كان يمكن استخدام الإضاءة الخلفية المتوازية أصلاً.

الحافة يحددها النفاذ لا المظهر

تحوّل الإضاءة الخلفية القطعة إلى صورة ظلية. والحافة في الصورة هي الموضع الذي ينخفض فيه النفاذ من نحو 100 % إلى نحو 0 %، والعتبة الموضوعة على هذا الانتقال تحدد الحدود المقاسة. لهذا السبب تُعد الإضاءة الخلفية الخيار الافتراضي للثقوب والأقطار والفجوات والإخلاءات: فالحافة لا تهتم بجودة السطح ولا اللون ولا الأكسدة، بل بالهندسة وحدها.

كما يعني ذلك أن القياس بأكمله يعتمد على شكل ذلك الانتقال. فإذا كان الانتقال حاداً وثابتاً، وقعت العتبة في الموضع نفسه في كل مرة. أما إذا كان ضبابياً أو غير متماثل، انزلقت العتبة مع التعريض والتركيز وسماكة القطعة — فالقابلية للتكرار التي بدت جيدة في المصنع تنحرف في الإنتاج.

أين تفقد الإضاءة الخلفية المنتشرة الحافة

تبث الإضاءة الخلفية المنتشرة ضمن مدى زاوي واسع يبلغ عادة عشرات الدرجات. بالنسبة لقطعة رقيقة لا يكاد ذلك يهم. أما بالنسبة لقطعة سماكتها t، فإن الأشعة الواردة بزاوية α تضيء الجدار الجانبي، فيصبح الجدار جزءاً من المنطقة المضيئة. وعندئذ تقع الحافة المقاسة في موضع ما على الجدار بدلاً من الصورة الظلية الحقيقية، ويكبر الخطأ تقريباً بمقدار t·tanα.

لنضع أرقاماً. عند t = 2 mm و α = 30°، يكون t·tanα ≈ 1.15 mm. هذا ليس تفصيلاً دقيقاً في الإضاءة؛ بل خطأ بمقياس المليمتر في قياس قد يكون تحمّله بعشرات الميكرومترات. وحتى عند α = 10° يبلغ التقدير نحو 0.35 mm. وهذا التقدير يستبعد الحيود وتشوه العدسة، فاعتبره حداً أدنى للمشكلة لا تصحيحاً يُطبَّق.

أما الصفائح الرقيقة والأفلام والقطع المخرومة بسماكة بضعة أعشار من المليمتر، فيعطي الحساب نفسه بضعة ميكرومترات، وتكون الإضاءة المنتشرة كافية تماماً — شريطة أن يكون الباعث قريباً من القطعة وأن تكون الخلفية موحّدة.

ما الذي تغيّره الإضاءة الخلفية المتوازية

تبث الإضاءة الخلفية المتوازية ضوءاً شبه متوازٍ، عادة في حدود درجة أو درجتين. تسير الأشعة محورياً، فلا يُضاء الجدار الجانبي لقطعة سميكة أبداً: تتحدد الصورة الظلية بالوجه الأمامي وحده، ولم تعد الحافة المقاسة تعتمد على السماكة. كما يصبح الانتقال أكثر حدة، لأن الضبابية الهندسية الناتجة عن الانتشار الزاوي تزول.

غير أن هناك ثمناً ميكانيكياً. لكي يمتلئ مجال الرؤية كله بالضوء المتوازي، يجب أن تكون حدقة دخول العدسة بنفس حجم مجال الرؤية على الأقل. فعدسة C-mount القياسية حدقتها من بضعة مليمترات إلى بضعة سنتيمترات، فيفشل الشرط فوراً. أما العدسة التيليسنترية فتضع الحدقة عند اللانهاية وتوفر عملياً فتحة كبيرة بما يكفي لاستقبال المجال كله — ولهذا تُحدَّد الإضاءة الخلفية المتوازية والعدسات التيليسنترية معاً، ولهذا تتصرف الإضاءة المتوازية مع عدسة قياسية كإضاءة منتشرة باهظة الثمن.

هذا الاقتران ليس عرفاً تسويقياً؛ بل هو الشرط الذي يمكن عنده جمع الأشعة المتوازية. وهو يعني أيضاً أن حجم فتحة الإضاءة الخلفية يجب أن يُحدَّد بناءً على أكبر مجال ستعمل عليه الخلية، لا على الوصفة الحالية.

ثبات العتبة وميزانية التعريض

مع صورة ظلية نظيفة، تبقى المتغيرات المتبقية ثبات السطوع والتعريض. فمشغّل التيار الثابت أهم هنا منه في خلية بإضاءة أمامية: فتموج سطوع بنسبة 5 % يحرك العتبة قليلاً في كل إطار، وعند تفاوت مسموح قدره 10 µm يكفي ذلك لإنتاج توزيع قياس ثنائي المنوال لا يستطيع أحد تفسيره.

للتعريض قيد ثانٍ في التطبيقات المتحركة. فضبابية الحركة تساوي السرعة مضروبة في زمن التعريض؛ وإبقاؤها دون ثلث بكسل يحدد الحد الأقصى للتعريض لسرعة خط معينة. هنا تتوقف الإضاءة والميكانيكا عن كونهما منفصلتين: فإذا كان التعريض المطلوب أقصر مما تسمح به الإضاءة المتاحة، فالجواب باعث أكثر سطوعاً أو مسافة عمل أقصر أو محور أبطأ — لا ربح أعلى، لأنه يضيف ضوضاء بالضبط حيث تُحسم عتبة الحافة.

الطول الموجي والحيود وانتقال الحافة

الأطوال الموجية الأقصر تنتج ضبابية حيود أضيق عند فتحة معينة، لذا تعطي الإضاءة الخلفية الزرقاء حافة أكثر حدة قليلاً من الحمراء على الهندسة نفسها. والأثر صغير مقارنة بخطأ الانتشار الزاوي أعلاه، لكنه مجاني، ويهم عندما يكون المطلوب عند حدود ما تستطيع البصريات فعله.

كذلك يتفاعل الطول الموجي مع المادة. فالسيليكون شفاف في الأشعة تحت الحمراء القريبة، لذا يمكن فحص رقاقة سيليكون أو رقاقة بالنفاذ باستخدام NIR بطرق لا يستطيع الضوء المرئي بلوغها. والأحمر يخترق بعض الطلاءات واللدائن الداكنة أفضل من الأزرق. لا شيء من هذا يغيّر الحجة الهندسية؛ بل يغيّر مما تتكون الصورة الظلية.

الاختيار بين الاثنتين، بالترتيب

• قدّر t·tanα للسماكة الفعلية والزاوية الفعلية للباعث. فإذا كان الناتج داخل التفاوت المسموح به بهامش واضح، فالإضاءة الخلفية المنتشرة هي الخيار الأبسط والأرخص والأكثر تسامحاً.
• إذا اقترب التقدير من التفاوت المسموح، انتقل إلى الإضاءة المتوازية — وتأكد قبل الطلب من أن العدسة تيليسنترية.
• تحقق من مساحة الباعث مقارنةً بأكبر مجال، مع هامش. فالإضاءة الخلفية الأصغر من اللازم تنتج هبوطاً عند الحافة، وهي مشكلة سطوع تبدو كأنها مشكلة حافة.
• أكّد ميزانية التعريض عند سرعة الخط، واختر متحكماً بتيار ثابت وتوقيت تفعيل محدد بدل مصدر تغذية بسيط.
• تحقق على أسمك القطع وأرقّها في العائلة، لا على القطعة الاسمية فقط. فالحساسية للسماكة هي بالضبط موضوع هذا الاختيار.

تغطي مجموعة POMEAS جانبي هذا القرار: إضاءات خلفية تيليسنترية متوازية بفتحات من 30 mm إلى 265 mm، بما في ذلك نسخ الزاوية القائمة للخلايا التي لا تتوفر فيها مساحة خلف القطعة، وإضاءات سطح متوازية عالية الاتساق لأعمال الصور الظلية العامة. وتسردها مجموعة الإضاءة إلى جانب المتحكمات، ويغطي الجانب البصريّ العدسة التيليسنترية LTC05-40 للمجالات الأصغر.

وإذا كان القياس يجب أيضاً أن يصمد أمام تغيّر التكبير — خلية بعدسة زوم تقيس قطعاً بأحجام عدة — فيجب حل ميزانية الإضاءة من جديد عند كل خطوة، لأن إشعاع الصورة ينخفض تقريباً بمربع التكبير. تُغطى هذه التفاعلية في إضاءة القياس التيليسنتري، وآلية ضبابية الحافة نفسها في لماذا تتضبب حافة ثقب دقيق في الإضاءة الخلفية.

الأسئلة الشائعة

هل الإضاءة الخلفية المتوازية أدق دائماً؟

بالنسبة للقطع السميكة، نعم — فهي تزيل خطأ الحافة المعتمد على السماكة. أما الصفائح والأفلام الرقيقة فخطأ الانتشار الزاوي فيها يبلغ أصلاً بضعة ميكرومترات، فقد لا يبرر المكسب التكلفة أو شرط العدسة التيليسنترية.

هل يمكنني استخدام إضاءة خلفية متوازية مع عدسة C-mount قياسية؟

بمعنى محدود فقط. فحدقة العدسة أصغر كثيراً من المجال، لذلك يضيع معظم الضوء المتوازي وتتصرف الصورة كأنها بإضاءة خلفية منتشرة. لا معنى للاقتران إلا مع عدسة تيليسنترية تستطيع حدقتها استقبال المجال كله.

كم خطأ تُدخله الإضاءة الخلفية المنتشرة على قطعة سماكتها 3 mm؟

باستخدام t·tanα كتقدير هندسي، تعطي 3 mm عند 30° نحو 1.7 mm؛ وعند 10° نحو 0.5 mm. وكلا الرقمين يتجاهل الحيود وتأثيرات العدسة، فهما يشيران إلى حجم المشكلة، لا إلى تصحيح يُطرح.

هل يؤثر لون الإضاءة الخلفية في القطر المقاس؟

يؤثر في عرض انتقال الحافة عبر الحيود وعبر التصحيح اللوني للعدسة. فالأطوال الموجية الأقصر تعطي حافة أكثر حدة قليلاً. والأثر أصغر كثيراً من خطأ الانتشار الزاوي، لكن من المجدي تثبيت طول موجي واحد لقياسات قابلة للتكرار.

لماذا ينحرف القياس بين الورديات؟

عادةً بسبب انجراف السطوع أو انجراف حراري يحرك العتبة، أو تغيّر في سماكة القطع داخل الدفعة. ثبّت التيار وسجّل التعريض، وتحقق من جديد من تقدير t·tanα مقابل مدى السماكة الفعلي قبل ضبط العتبات.

هل الفتحة الأوسع وسيلة أرخص لجعل الحافة أكثر حدة؟

إنها تشد الصورة لكنها تقلل عمق الميدان، وعند صورة ظلية بإضاءة خلفية قد تقع القطعة خارج العمق المتبقي. فبالنسبة لقطعة ثابتة على تثبيت مسطح يكون هذا التبادل مقبولاً أحياناً؛ أما للمواد المتحركة فغالباً لا يكون كذلك، ولهذا يُفضَّل إصلاح الحافة في هندسة الإضاءة لا في الفتحة.

ما الذي يجب إرساله لمراجعة الإضاءة

أرسل عائلة القطع بأرقّ أفرادها وأسمكهم، والتفاوت المسموح على البُعد المقاس، والعدسة والكاميرا إن كانتا محددتين مسبقاً، والمساحة خلف القطعة، وسرعة الخط إن كانت القطعة تتحرك. هذه العناصر الخمسة تحدد ما إذا كان الجواب إضاءة خلفية منتشرة أم متوازية أم ترتيباً بصرياً مختلفاً تماماً.