Selezione della lente appropriata per applicazioni di visione artificiale

Introduzione

La visione artificiale è diventata una componente essenziale dei moderni processi industriali e produttivi, permettendo compiti di automazione, controllo qualità e ispezione con elevata precisione. Un componente cruciale di ogni sistema di visione artificiale è la lente, che svolge un ruolo fondamentale nella cattura di immagini chiare e accurate da utilizzare nelle analisi successive. La corretta scelta della lente è essenziale per garantire le prestazioni complessive e l'efficacia dell'applicazione di visione artificiale. Questo articolo esplorerà i fattori chiave da considerare nella selezione di una lente per la visione artificiale, insieme ai diversi tipi di lenti e alle loro applicazioni.

Fattori chiave nella selezione delle lenti

Angolazione di campo (FOV)

Il campo visivo è l'area che la telecamera e l'obiettivo possono catturare. È determinato dalla distanza di lavoro (la distanza tra l'obiettivo e l'oggetto da riprendere) e dalla lunghezza focale dell'obiettivo. Un campo visivo più ampio è utile per applicazioni che richiedono il monitoraggio di un'ampia area, come nelle ispezioni industriali su larga scala o nel settore della sorveglianza. Ad esempio, in una fabbrica di confezionamento alimentare, un obiettivo con campo visivo ampio può essere utilizzato per monitorare l'intera linea di confezionamento al fine di garantire che tutti i prodotti siano correttamente confezionati.

Risoluzione

La risoluzione dell'obiettivo si riferisce alla sua capacità di distinguere dettagli fini in un'immagine. Gli obiettivi ad alta risoluzione sono necessari per applicazioni in cui sono richieste misurazioni precise o il rilevamento di piccole caratteristiche. Nel processo di produzione dei semiconduttori, ad esempio, è necessario un obiettivo con una risoluzione elevata per ispezionare i circuiti minuscoli su una fettina di silicio. La risoluzione di un obiettivo è spesso indicata in coppie di linee per millimetro (lp/mm). Un valore lp/mm più alto indica un obiettivo con una migliore capacità di risoluzione. È importante abbinare la risoluzione dell'obiettivo a quella del sensore della telecamera. Se l'obiettivo ha una risoluzione inferiore rispetto al sensore, il pieno potenziale del sensore non verrà sfruttato.

Profondità di campo (DoF)

La profondità di campo è l'intervallo di distanze dall'obiettivo entro il quale gli oggetti appaiono accettabilmente nitidi nell'immagine. Una profondità di campo elevata è vantaggiosa quando gli oggetti si trovano a distanze diverse dalla telecamera o quando vi è una certa variabilità nella posizione dell'oggetto. In un sistema di ispezione per la stampa 3D, dove i pezzi stampati possono avere altezze differenti, un obiettivo con una grande profondità di campo può garantire che tutte le parti dell'oggetto siano a fuoco. La profondità di campo è influenzata da diversi fattori, tra cui la lunghezza focale, la dimensione del diaframma e la distanza di lavoro. Generalmente, una lunghezza focale più corta, un diaframma più piccolo (numero f più alto) e una maggiore distanza di lavoro determinano una profondità di campo maggiore.

Distorsioni

La distorsione in un obiettivo fa apparire curva l'immagine di un oggetto con linee dritte. Esistono due tipi principali di distorsione: la distorsione a botte, in cui l'immagine sembra rigonfiarsi verso l'esterno ai bordi, e la distorsione a cuscino, in cui l'immagine sembra contrarsi verso l'interno ai bordi. In applicazioni dove le misurazioni geometriche accurate sono cruciali, come nella metrologia o nella guida robotica, obiettivi con bassa distorsione sono essenziali. Ad esempio, in un sistema di prelievo con braccio robotico, è necessario un obiettivo con distorsione minima per identificare con precisione posizione e orientamento degli oggetti.

Distanza di lavoro

La distanza di lavoro è la distanza tra la parte anteriore dell'obiettivo e l'oggetto da immagini. È determinata dai requisiti dell'applicazione. Alcune applicazioni, come l'ispezione di componenti piccoli su una scheda a circuiti stampati, possono richiedere una breve distanza di lavoro, mentre altre, come il monitoraggio di ampie aree esterne, necessitano di una lunga distanza di lavoro. La distanza di lavoro influisce anche su altri parametri dell'obiettivo, come il campo visivo e la profondità di campo.

Montaggio e Compatibilità

L'obiettivo deve essere compatibile con la telecamera a cui è abbinato. Le telecamere presentano diversi tipi di attacco, ad esempio C-mount, CS-mount o F-mount. È importante verificare che l'obiettivo disponga dell'attacco corretto per essere montato in modo sicuro sulla telecamera. Inoltre, l'obiettivo deve essere compatibile con le dimensioni del sensore della telecamera. L'utilizzo di un obiettivo con un cerchio d'immagine troppo piccolo rispetto al sensore può causare vignettatura (oscuramento degli angoli dell'immagine) o una copertura incompleta del sensore.

Tipi di Obiettivi per Visione Artificiale

Obiettivi a Lunghezza Focale Fissa

Gli obiettivi a lunghezza focale fissa, noti anche come obiettivi primi, hanno una singola lunghezza focale non modificabile. Sono relativamente semplici nella struttura e spesso offrono elevate prestazioni ottiche in termini di risoluzione e bassa distorsione. Questi obiettivi sono adatti per applicazioni in cui l'angolo di campo e la distanza di lavoro sono fissi. Ad esempio, in un sistema di lettura dei codici a barre presso una cassa di un supermercato, un obiettivo a lunghezza focale fissa può essere utilizzato per catturare immagini chiare dei codici a barre a una distanza specifica.

Obiettivi Zoom

Gli obiettivi zoom permettono all'utente di modificare la lunghezza focale, cambiando così il campo visivo. Questo li rende versatili per applicazioni in cui la telecamera deve catturare aree diverse o oggetti a distanze variabili. In un sistema di videosorveglianza, un obiettivo zoom può essere regolato per concentrarsi su diverse parti di un edificio o per seguire oggetti in movimento. Tuttavia, gli obiettivi zoom potrebbero non offrire lo stesso livello di prestazioni ottiche degli obiettivi a lunghezza focale fissa, soprattutto in termini di risoluzione e distorsione.

Obiettivi Telecentrici

Gli obiettivi telecentrici sono progettati per mantenere un ingrandimento costante indipendentemente dalla distanza dell'oggetto entro un certo intervallo. Questo li rende ideali per applicazioni che richiedono misurazioni dimensionali precise, come nel controllo qualità di componenti prodotti. In una fabbrica di precisione, gli obiettivi telecentrici possono essere utilizzati per misurare con alta accuratezza le dimensioni dei componenti meccanici, poiché eliminano gli effetti della distorsione prospettica.

Macroscopie

Gli obiettivi macro sono ottimizzati per la fotografia ravvicinata e sono in grado di raggiungere rapporti di ingrandimento elevati. Vengono utilizzati in applicazioni in cui è necessario esaminare oggetti piccoli o dettagli fini, come nell'ispezione di gioielli o nell'imaging di campioni biologici. Nel processo di produzione dei gioielli, gli obiettivi macro possono essere utilizzati per ispezionare i dettagli intricati delle incastonature di pietre preziose o la qualità della lavorazione metallica.

Conclusione

La selezione della lente appropriata per un'applicazione di visione artificiale è un processo complesso che richiede la valutazione di diversi fattori. Analizzando attentamente il campo visivo, la risoluzione, la profondità di campo, la distorsione, la distanza operativa, la compatibilità del montaggio e i requisiti ambientali, ingegneri e integratori di sistema possono scegliere una lente in grado di ottimizzare le prestazioni del sistema di visione artificiale. Che si tratti di automazione industriale, controllo qualità o ricerca scientifica, la corretta scelta della lente è fondamentale per ottenere dati immagine precisi e affidabili da utilizzare nell'analisi e nel processo decisionale successivi.