В промышленном машинном зрении выбор объектива напрямую влияет на то, сможет ли камера создавать изображения, достаточно стабильные для измерения, проверки и распознавания. Объектив потребительского класса или неподходящий зум-объектив могут привести к изменениям в поле зрения, фокусе, увеличении или искажениям при изменении настройки фокусного расстояния. Эти изменения могут усложнить калибровку и снизить последовательность измерений во время непрерывной работы.

Объектив с фиксированным фокусным расстоянием спроектирован с учетом определенной оптической конфигурации, а не с постоянно меняющимся фокусным расстоянием. Когда фокусное расстояние, формат датчика, рабочее расстояние и необходимое поле зрения правильно подобраны, объектив может обеспечить повторяемую геометрию изображения для автоматического контроля, точных измерений, роботизированного зрения и распознавания объектов.

Однако для промышленных покупателей выбор объектива с фиксированным фокусным расстоянием не должен начинаться только с цены. Фокусное расстояние, размер сенсора, разрешение, дисторсия, диафрагма, рабочее расстояние, оптическое покрытие, механический интерфейс и требования к настройке — все это влияет как на качество изображения, так и на окончательную цену объектива с фиксированным фокусным расстоянием.

Почему фиксированное фокусное расстояние имеет значение для промышленного видения

Объектив с фиксированным фокусным расстоянием оптимизирован для одного определенного фокусного расстояния. Это позволяет проектировать оптическую систему с учетом определенного диапазона рабочих расстояний, форматов датчиков, кругов изображения и требований к полю обзора.

Например, инспекционной камере может потребоваться охватить компонент шириной 100 мм с фиксированного расстояния установки. Вместо того, чтобы полагаться на механизм масштабирования для настройки изображения, можно выбрать подходящее фиксированное фокусное расстояние на основе сенсора камеры и требуемого угла обзора. После установки и калибровки оптическая геометрия остается неизменной.

Это особенно полезно на автоматизированных линиях контроля, где камеры неоднократно проверяют компоненты в одинаковых положениях.

Ключевым моментом является то, что фиксированное фокусное расстояние не означает, что объектив можно использовать только на одном физическом расстоянии. Доступны различные фиксированные фокусные расстояния для разных рабочих расстояний и размеров цели. Более короткое фокусное расстояние обычно обеспечивает более широкое поле зрения, тогда как более длинное фокусное расстояние обеспечивает более узкое поле зрения, когда положение камеры и сенсор в остальном сопоставимы.

Это соотношение позволяет инженерам машинного зрения выбирать линзу в соответствии с фактической геометрией контроля, а не рассматривать фокусное расстояние как изолированную характеристику.

Как выбрать объектив с фиксированным фокусным расстоянием

Наиболее важные параметры следует оценивать как подключенную оптическую систему.

Фокусное расстояние, размер сенсора и поле зрения

Фокусное расстояние определяет угловой охват объектива, а размер сенсора определяет, какая часть проецируемого изображения захватывается камерой.

Полезное упрощенное соотношение:

Поле зрения ≈ Размер сенсора × Рабочее расстояние/фокусное расстояние

Это не полное уравнение оптического проектирования, но оно иллюстрирует логику выбора. При одинаковом сенсоре и рабочем расстоянии увеличение фокусного расстояния обычно уменьшает поле зрения. Уменьшение фокусного расстояния обычно увеличивает охват.

Рассмотрим приложение для автоматизации производства, где камера должна проверять относительно большой компонент в ограниченном монтажном положении. Для захвата всей цели может потребоваться более короткое фокусное расстояние. В приложениях для точных измерений, когда объект меньше, а камера установлена ​​дальше, большее фокусное расстояние может обеспечить более подходящий масштаб изображения.

Поэтому правильный вопрос не просто «Какое фокусное расстояние лучше?» Это:

Какое фокусное расстояние обеспечивает необходимое поле зрения на доступном рабочем расстоянии, обеспечивая при этом достаточное разрешение и приемлемые искажения для выбранного сенсора?

Рабочее расстояние и геометрия установки

Рабочее расстояние особенно важно для автоматизированного оборудования, поскольку доступное пространство для установки часто заранее определено.

Объектив, выбранный без учета рабочего расстояния, может привести к необходимости изменить положение камеры, изменить требуемое поле зрения или затруднить интеграцию освещения.

Поэтому для роботизированного зрения и автоматического контроля объектив следует оценивать вместе с положением камеры, размерами объекта, расположением освещения и механической монтажной конструкцией.

Разрешение и соответствие камеры

Камеры высокого разрешения не выдают автоматически результаты проверки с высоким разрешением.

Объектив должен разрешать достаточную пространственную детализацию для сенсора камеры. Если оптическое разрешение недостаточно, увеличение количества пикселей камеры может дать ограниченное практическое улучшение, поскольку объектив становится узким местом в цепочке формирования изображений.

Это особенно важно для прецизионного измерения, проверки электронных компонентов, проверки размеров и контроля тонкой поверхности.

Поэтому правильная оценка должна учитывать:

• Разрешение сенсора

• Размер пикселя

• Оптическое разрешение объектива

• Размер целевого объекта

• Требуемая точность измерения

• Рабочее расстояние

• Условия освещенности

Цель состоит в том, чтобы сопоставить оптическое разрешение объектива с реальными возможностями камеры, а не выбирать камеру с высоким разрешением и предполагать, что вся система автоматически обеспечит более высокую детализацию.

Искажение и точность измерений

Искажение становится более важным, когда линза используется для контроля размеров.

Бочкообразное или подушкообразное искажение может изменить видимое положение объектов на изображении. Для распознавания объектов определенное количество искажений может быть допустимо в зависимости от приложения. Однако для точных измерений контроль искажений становится гораздо более важным, поскольку геометрия изображения напрямую влияет на результаты измерений и калибровку.

Вот почему линзу, предназначенную для прецизионных измерений, следует оценивать иначе, чем линзу, используемую для обычного обнаружения объектов.

Диафрагма и глубина резкости

Диафрагма влияет как на светопропускание, так и на глубину резкости. Более широкая диафрагма позволяет большему количеству света достичь датчика, но обычно уменьшает глубину резкости. Меньшая диафрагма может увеличить диапазон положений объекта, которые остаются приемлемо сфокусированными, но при этом также уменьшается количество света, попадающего на датчик.

Для автоматического контроля глубина резкости имеет значение, когда целевая поверхность не идеально плоская или когда высота компонента меняется в процессе производства.

Например, система контроля поверхности, проверяющая детали разной высоты, может потребовать достаточную глубину резкости, чтобы соответствующие детали оставались в пределах приемлемой фокусировки. Напротив, в прецизионных измерительных системах с контролируемым положением объекта больший упор делается на разрешение и искажения, чем на большой диапазон глубины резкости.

Таким образом, правильная диафрагма определяется взаимодействием между освещением, экспозицией, необходимой глубиной резкости, характеристиками датчика и оптическим разрешением.

Применение линз с фиксированным фокусным расстоянием в машинном зрении

В различных промышленных приложениях оптические параметры имеют разные приоритеты.

Для автоматизации производства часто требуется повторяемая геометрия изображения и совместимость с фиксированными положениями установки камеры. Правильно выбранная линза с фиксированным фокусным расстоянием может упростить калибровку и обеспечить постоянное увеличение на протяжении повторяющихся циклов проверки.

Автоматизированный контроль обычно требует баланса между разрешением, полем обзора, искажениями и глубиной резкости. Объектив должен захватывать необходимую область контроля, сохраняя при этом достаточную детализацию для обнаружения дефектов.

При прецизионных измерениях больший упор делается на искажение, разрешение, геометрическую последовательность и соответствие камеры. Объектив с широким полем зрения может оказаться неподходящим, если он жертвует масштабом изображения или искажениями, необходимыми для оценки размеров.

Для зрения робота может потребоваться сочетание рабочего расстояния, угла обзора, глубины резкости и механической совместимости, поскольку камера и объектив могут быть установлены на движущейся роботизированной системе.

При распознавании объектов можно уделять больше внимания достаточному охвату изображения и стабильному контрасту, чем чрезвычайно низкому искажению, в зависимости от алгоритма распознавания и характеристик цели.

Эти различия демонстрируют, почему не существует универсального «лучшего» объектива с фиксированным фокусным расстоянием. Соответствующая спецификация зависит от оптических и механических условий системы машинного зрения.

Что определяет цену объектива с фиксированным фокусным расстоянием?

Цена на линзы с фиксированным фокусным расстоянием может значительно различаться в зависимости от продукта, который внешне похож. Основная причина заключается в том, что промышленные объективы оцениваются не только по фокусному расстоянию.

Формат датчика

Объектив, предназначенный для покрытия сенсора большего размера, требует достаточно большого круга изображения и оптической конструкции, способной поддерживать производительность по всей этой области изображения. Таким образом, поддержка большего формата датчика может увеличить оптическую сложность и требования к производству.

Разрешение и контроль искажений

Более высокое оптическое разрешение и более жесткие требования к искажениям обычно требуют более точного оптического проектирования, изготовления, сборки и контроля компонентов.

Для систем контроля высокого разрешения покупка линзы с подходящими оптическими характеристиками может быть более разумной, чем простой выбор самой дешевой линзы. Если объектив не может полностью использовать матрицу камеры, часть разрешающей способности камеры может остаться неиспользованной.

Диафрагма и рабочее расстояние

Более широкая апертура, специальное рабочее расстояние или необычные требования к углу обзора могут потребовать дополнительной оптической оптимизации. Эти характеристики могут повлиять как на конструкцию линзы, так и на стоимость ее производства.

Требования к креплению и механическим характеристикам

Общие интерфейсы могут упростить интеграцию, в то время как индивидуальные механические размеры, монтажные конструкции, конфигурации резьбы или экологические требования могут увеличить затраты на разработку и производство.

Оптические материалы, покрытия и индивидуализация

Выбор оптического стекла, требования к покрытию, спектральный диапазон и индивидуальные оптические конфигурации также могут влиять на цену. Не следует ожидать, что стандартный производственный объектив и объектив, разработанный для конкретной камеры, угла обзора, рабочего расстояния или объекта контроля, будут иметь одинаковую структуру затрат.

Поэтому для отделов закупок более полезным сравнением будет не просто следующее:

Объектив А стоит дешевле, чем объектив Б.

Вместо этого оцените:

Объектив + Совместимость с камерой + Освещение + Монтаж + Калибровка + Требуемые оптические характеристики

Это обеспечивает более реалистичное представление об общей стоимости системы машинного зрения.

ECOPTIK: индивидуальные оптические решения для промышленного видения

ECOPTIK предлагает промышленные линзы с фиксированным фокусом и индивидуальные оптические решения для приложений машинного зрения, где геометрия изображения, разрешение, искажение и совместимость камер должны учитываться вместе.

Имея 15-летний опыт в технологии изготовления оптических компонентов, ECOPTIK производит прецизионную оптику, включая купольные линзы, сферические линзы, микрооптические компоненты, цилиндрические зеркала, фильтры, призмы и окна. Доступные материалы включают стекло от Schott, CDGM и Corning, а также сапфир, CaF₂, MgF₂, плавленый кварц, Si, ZnSe и ZnS. Компания также предоставляет услуги по сборке линз.

Для оптической проверки и составления отчетов о продукции ECOPTIK использует оборудование, включая лазерные интерферометры ZYGO, ZEISS CMM Spectrum и Agilent Cary 7000 UMS.

Для заказчиков систем машинного зрения эти возможности производства и тестирования обеспечивают более индивидуальный подход к разработке линз с фиксированным фокусом. Вместо того, чтобы выбирать объектив только по фокусному расстоянию или цене по каталогу, можно рассмотреть оптическую конфигурацию с учетом целевого применения, включая размер сенсора, поле зрения, рабочее расстояние, разрешение, дисторсию, апертуру и механическую интеграцию.

Принятие правильного решения об объективе с фиксированным фокусным расстоянием

Выбор объектива с фиксированным фокусным расстоянием — это, в конечном счете, задача по согласованию оптических параметров с реальной задачей машинного зрения.

Начните с размера цели и требуемого угла обзора, затем определите доступное рабочее расстояние и размер сенсора. Затем выберите подходящее фокусное расстояние и проверьте, соответствует ли разрешение объектива сенсору камеры. Затем оцените искажения, диафрагму, глубину резкости, механическое крепление и условия освещения в соответствии с целью проверки.

При закупках тот же принцип применяется к цене объектива с фиксированным фокусным расстоянием. Более низкая первоначальная цена объектива может не отражать более низкую стоимость системы, если объектив создает ограничения по разрешению, трудности с калибровкой, чрезмерные искажения или проблемы совместимости с камерой.

Для автоматизированного контроля, прецизионного измерения, роботизированного зрения и автоматизации производства наиболее практичным объективом с фиксированным фокусным расстоянием является тот, оптическая конструкция которого соответствует всей системе визуализации, а не просто тот, у которого самая низкая закупочная цена.