Обычные широкоугольные объективы могут захватывать большую часть сцены, чем стандартные объективы, но их поле зрения все равно может быть недостаточным, когда системе технического зрения необходимо охватить большую площадь из ограниченного положения установки. Это становится практическим ограничением в системах машинного зрения, мониторинга безопасности, панорамных изображений и систем контроля, где слепые зоны могут повлиять на обнаружение или охват.

Линзы «рыбий глаз» удовлетворяют этому требованию благодаря чрезвычайно широкому полю зрения, обычно около 180° и более. Их короткие фокусные расстояния, сильные нелинейные искажения и большая глубина резкости позволяют одной камере снимать значительно большую сцену. Однако выбор объектива «рыбий глаз» — это не просто выбор максимально возможного угла обзора. Размер сенсора, окружность изображения, фокусное расстояние, характеристики искажения, разрешение по краям, совместимость фильтров и необходимый рабочий процесс обработки изображения — все это влияет на конечный результат.

Для промышленных и научных пользователей понимание этих взаимосвязей имеет важное значение при выборе линзы «рыбий глаз» или разработке индивидуальной системы панорамного зрения.

Понимание оптических характеристик линз типа «рыбий глаз»

Отличительной характеристикой объектива «рыбий глаз» является чрезвычайно широкое поле зрения. В зависимости от оптической конструкции объектив «рыбий глаз» может обеспечить охват примерно 180° или даже более широкий, а в некоторых конструкциях — около 220°. Это позволяет камере наблюдать за большой территорией из относительно компактной монтажной позиции.

Фокусное расстояние тесно связано с этим покрытием. В объективах типа «рыбий глаз» обычно используются короткие фокусные расстояния примерно в диапазоне 8–15 мм, хотя подходящее значение сильно зависит от формата датчика изображения и требуемого поля зрения. Одно и то же фокусное расстояние не обеспечивает одинаковое покрытие изображения на каждом сенсоре. Датчик большего размера обычно захватывает большую часть круга изображения, в то время как объектив должен обеспечивать круг изображения, совместимый с этим датчиком.

Вот почему поле зрения не следует оценивать независимо от размера сенсора и окружности изображения. Объектив, разработанный для определенного формата сенсора, может вызывать виньетирование или неполное покрытие изображения в сочетании с несовместимым сенсором.

Объективы «рыбий глаз» также намеренно вносят сильные нелинейные искажения. Прямые линии вблизи краев изображения кажутся изогнутыми, а объекты вокруг оптического центра обычно испытывают менее заметные искажения. Такое поведение проекции фундаментально отличается от поведения обычных прямолинейных широкоугольных объективов.

Искажение не является автоматически недостатком. В приложениях, где максимальный охват сцены более важен, чем сохранение прямолинейной геометрии, например, при панорамном мониторинге, проекция «рыбий глаз» может предоставить полезную информацию, для которой в противном случае потребовалось бы использование нескольких камер.

Проблема возникает, когда полученное изображение необходимо использовать для измерения, локализации объекта, автоматического осмотра или детального анализа. В этих случаях искажение изменяет видимое положение и форму объектов на изображении. Поэтому для преобразования исходного изображения «рыбий глаз» в более геометрически полезное представление может потребоваться программная или коррекция оптических искажений.

Большая глубина резкости – еще одна важная характеристика. Поскольку объективы типа «рыбий глаз» обычно используют короткие фокусные расстояния, относительно большая часть сцены может оставаться в пределах приемлемого фокуса. Это полезно, когда цели расположены на разных расстояниях, особенно в условиях мониторинга, больших зонах контроля и сложных промышленных установках.

Как фильтры и датчики объектива «рыбий глаз» влияют на качество изображения

Фильтр «рыбий глаз» следует рассматривать как часть оптической системы, а не как отдельный аксессуар. Выбор фильтра может повлиять на светопропускание, спектральный отклик, виньетирование и качество краевого изображения, особенно при использовании компактных конструкций типа «рыбий глаз», где угол падающего света значительно меняется по направлению к краям поля зрения.

Для приложений видимого света оптический фильтр можно выбрать в соответствии с требуемым диапазоном длин волн, условиями окружающего освещения или целью визуализации. В чувствительных к инфракрасному излучению системах могут потребоваться ИК-фильтры или решения для коррекции инфракрасного излучения для контроля нежелательного инфракрасного излучения и поддержания более стабильных характеристик цвета или фокусировки.

Датчик также необходимо рассматривать одновременно с фильтром и объективом. Размер сенсора определяет, какая часть круга изображения объектива используется, а размер пикселя и разрешение сенсора влияют на уровень детализации, которую должна разрешать оптическая система. Объектив «рыбий глаз» в сочетании с датчиком высокого разрешения полезен только в том случае, если оптическая конструкция может обеспечить достаточное разрешение по всей необходимой области изображения.

Поэтому покупателям следует оценить несколько параметров вместе:

• Размер сенсора: определяет полезную область изображения и влияет на результирующее поле зрения.

• Фокусное расстояние: влияет на охват сцены и рабочее расстояние.

• Круг изображения: должен адекватно покрывать выбранный датчик без неприемлемого виньетирования.

• Диафрагма: влияет на светосилу, глубину резкости и экспозицию.

• Тип фильтра и спектральный диапазон: определяет, как передаются или подавляются определенные длины волн.

• Монтажный интерфейс: Должен соответствовать требованиям к камере и механической установке.

• Характеристики искажения: определяет, насколько может потребоваться геометрическая коррекция.

• Разрешение по краям: особенно важно, когда объекты вблизи периметра изображения являются частью объекта проверки или мониторинга.

Монтаж фильтра также требует внимания. В зависимости от оптической архитектуры фильтр может быть расположен в передней части объектива, внутри оптического узла или через специальный механический интерфейс. Фильтр неправильного размера может вызвать механические помехи, виньетирование или нежелательные изменения эффективного оптического пути.

Для научных и промышленных применений требования к длине волны должны быть определены до выбора фильтра. Система, предназначенная для визуализации видимого, ближнего инфракрасного диапазона или определенного спектрального диапазона, может потребовать очень разных характеристик фильтра. Простое добавление универсального фильтра без учета диапазона пропускания объектива и спектрального отклика датчика может уменьшить полезный сигнал.

Чем хороши линзы «рыбий глаз»?

Итак, чем же хороши линзы «рыбий глаз»? Их главное преимущество не просто в том, что они «широкоугольные». Они полезны, когда системе необходимо захватить очень большое поле зрения с ограниченного положения камеры и может обеспечить соответствующую нелинейную проекцию.

В машинном зрении линзы типа «рыбий глаз» можно использовать, когда зона контроля велика по сравнению с доступным пространством для установки камеры. Например, для производственной линии, крупной механической сборки, склада или зоны автоматизированного контроля может потребоваться более широкий обзор, чем может обеспечить обычная линза. Большая глубина резкости также может помочь, когда объекты появляются на разном расстоянии от камеры.

Однако пользователи машинного зрения должны различать охват и точность измерений. Если требуется точное измерение размеров или геометрический контроль всего изображения, коррекция искажений и калиброванное изображение становятся критически важными. Объектив «рыбий глаз» может обеспечить необходимое покрытие, но система должна учитывать искажения проекции во время обработки изображения.

При мониторинге безопасности поле обзора более 180° может уменьшить слепые зоны вокруг установки камеры. Одна камера может контролировать обширную территорию внутри или снаружи помещения, где в противном случае могли бы потребоваться несколько обычных камер. Соответствующий выбор зависит от высоты установки, расстояния до цели, требуемого покрытия, условий освещения, формата датчика, а также от того, будет ли окончательное изображение отображаться как неисправленный вид «рыбий глаз» или преобразовано в скорректированное панорамное изображение.

Для панорамных изображений особенно полезны линзы типа «рыбий глаз», поскольку их проекция позволяет захватить большой угловой диапазон в одном кадре. Программное обеспечение для коррекции и сшивания изображений может впоследствии преобразовать исходное изображение в панорамное представление в соответствии с требованиями приложения.

При мониторинге сложных условий большая глубина резкости может помочь сохранить удобную фокусировку на целях, расположенных на разных расстояниях. Это актуально для промышленных объектов, больших помещений с оборудованием, транспортных средств и других объектов, где камеру невозможно разместить близко к каждой цели.

Для научных исследований выбор линз становится более специфичным для конкретного применения. Исследователям, возможно, придется одновременно учитывать диапазон длин волн, чувствительность датчика, оптические искажения, спектральные фильтры, окружность изображения и требования к калибровке. Оптическая система «рыбий глаз» может быть полезна, когда необходимо наблюдать большую угловую область, сохраняя при этом компактную оптическую конфигурацию.

Как сбалансировать поле зрения и искажения

Больший угол обзора обычно приводит к большему искажению проекции, поэтому выбор объектива «рыбий глаз» — это, по сути, баланс между охватом сцены и геометрической точностью.

Если основным требованием является максимальное покрытие, конструкция «рыбий глаз» на 180° или шире может обеспечить значительные преимущества. Однако если приложение требует точного позиционирования объекта вблизи краев изображения, коррекция искажений становится основной частью конструкции системы.

Это особенно важно для машинного зрения. Объект, расположенный вблизи центра, и идентичный объект вблизи края могут иметь разные видимые формы и масштабы из-за характеристик проекции. Калибровка и коррекция искажений могут компенсировать эти эффекты, но качество конечного результата зависит от исходной оптической конструкции, а также алгоритма коррекции.

Поэтому при разработке профессиональных объективов типа «рыбий глаз» основное внимание уделяется не только достижению большого поля зрения, но и контролю распределения искажений по изображению. Оптимизация оптической конструкции может помочь сохранить больше полезной информации об изображении в периферийной области до применения цифровой коррекции.

Для охранной или панорамной камеры процесс выбора следует начинать с требуемой зоны покрытия, а не только с спецификации объектива. Сначала определите формат датчика, расстояние установки, целевую область, необходимое поле зрения, допустимые искажения, условия освещенности и формат выходного изображения. Затем с учетом этих требований можно выбрать подходящую конструкцию «рыбий глаз».

Объектив «рыбий глаз» ECOPTIK и оптическая настройка

ECOPTIK уже 15 лет исследует технологии изготовления оптических компонентов и предлагает индивидуальные оптические решения для промышленного и научного применения. Ее возможности по производству оптики включают купольную оптику, сферические линзы, микрооптические компоненты, цилиндрические зеркала, фильтры, призмы и оптические окна.

Для приложений «рыбий глаз» и панорамного зрения ECOPTIK предлагает линзы «рыбий глаз» промышленного класса и решения панорамного зрения для машинного зрения, мониторинга безопасности и передовых научных приложений. Его подход сочетает в себе конструкцию объектива, коррекцию искажений, согласование датчиков и настройку в соответствии с предполагаемой средой обработки изображений.

Варианты материалов включают оптическое стекло от Schott, CDGM и Corning, а также сапфир, CaF₂, MgF₂, плавленый кварц, кремний, ZnSe и ZnS. Услуги по сборке линз также доступны для проектов, требующих интегрированного оптического решения.

Для проверки качества и определения оптических характеристик ECOPTIK использует такое оборудование, как лазерные интерферометры ZYGO, ZEISS CMM Spectrum и Agilent Cary 7000 UMS. Эти инструменты поддерживают размерные, интерферометрические и спектральные испытания и могут использоваться для предоставления отчетов о продуктах для индивидуальных оптических компонентов.

Поэтому для B2B-покупателей ключевым вопросом является не просто то, обеспечивает ли объектив «рыбий глаз» поле зрения 180° или более широкое. Более важный вопрос заключается в том, соответствуют ли его фокусное расстояние, совместимость датчиков, круг изображения, профиль искажения, глубина резкости, конфигурация фильтра и разрешение по краям фактическим требованиям к изображению.

Правильно подобранная оптическая система типа «рыбий глаз» может обеспечить широкий охват сцены, сохраняя при этом полезную информацию об изображении для автоматического осмотра, мониторинга безопасности, панорамной съемки и специализированных исследовательских приложений.