Wybór odpowiedniego obiektywu do zastosowań wizyjnych maszyn

Wprowadzenie

Wizja maszynowa stała się integralną częścią współczesnych procesów przemysłowych i produkcyjnych, umożliwiając automatyzację, kontrolę jakości oraz zadania inspekcyjne z dużą precyzją. Kluczowym elementem każdego systemu wizyjnego jest obiektyw, który odgrywa istotną rolę w uzyskiwaniu jasnych i dokładnych obrazów przeznaczonych do dalszej analizy. Prawidłowy dobór obiektywu jest niezbędny, aby zagwarantować ogólną wydajność i skuteczność aplikacji wizyjnych maszyn. W tym artykule omówimy najważniejsze czynniki, które należy brać pod uwagę przy wyborze obiektywu do wizji maszynowej, a także różne typy obiektywów i ich zastosowania.

Główne czynniki w doborze obiektywu

Pole widzenia (FOV)

Pole widzenia to obszar, który może być przechwytywany przez kamerę i obiektyw. Wyznaczane jest przez odległość roboczą (odległość między obiektywem a obserwowanym obiektem) oraz długość ogniskową obiektywu. Szerokie pole widzenia jest przydatne w zastosowaniach wymagających monitorowania dużego obszaru, takich jak przemysłowe inspekcje na dużą skalę czy systemy nadzoru. Na przykład w fabryce opakowań żywności, obiektyw o szerokim polu widzenia może być wykorzystywany do monitorowania całej linii pakującej, aby zapewnić prawidłowe opakowanie wszystkich produktów.

Rozdzielczość

Rozdzielczość obiektywu odnosi się do jego zdolności do odróżniania drobnych szczegółów w obrazie. Obiektywy o wysokiej rozdzielczości są niezbędne w zastosowaniach, gdzie wymagane są dokładne pomiary lub wykrywanie małych detali. Na przykład w procesie produkcji półprzewodników potrzebny jest obiektyw o wysokiej rozdzielczości do inspekcji miniaturowych obwodów na krzemowej tafli. Rozdzielczość obiektywu często określa się w parach linii na milimetr (lp/mm). Wyższa wartość lp/mm wskazuje lepszy obiektyw rozdzielający. Ważne jest dobranie rozdzielczości obiektywu do rozdzielczości czujnika kamery. Jeżeli obiektyw ma niższą rozdzielczość niż czujnik, pełny potencjał czujnika nie zostanie wykorzystany.

Głębgłość pola (DoF)

Głębia ostrości to zakres odległości od obiektywu, w którym obiekty wydają się wystarczająco ostre na obrazie. Duża głębia ostrości jest korzystna, gdy obiekty znajdują się w różnych odległościach od kamery lub gdy występuje pewna zmienność położenia obiektu. W systemie inspekcji druku 3D, gdzie wydrukowane elementy mogą mieć różne wysokości, obiektyw o dużej głębi ostrości może zagwarantować, że wszystkie części obiektu będą ostre. Głębia ostrości zależy od wielu czynników, w tym długości ogniskowej, wielkości przysłony i odległości roboczej. Ogólnie rzecz biorąc, krótsza długość ogniskowej, mniejsza przysłona (wyższy współczynnik f) oraz większa odległość robocza powodują zwiększenie głębi ostrości.

Zniekształcenie

Zniekształcenie w obiektywie powoduje, że obraz obiektu o prostych liniach wygląda na zakrzywiony. Istnieją dwa główne typy zniekształceń: zniekształcenie beczkowate, przy którym obraz wydaje się wypaczać na zewnątrz od krawędzi, oraz zniekształcenie poduszkowate, gdzie obraz zdaje się zapadać do wewnątrz przy krawędziach. W zastosowaniach, gdzie dokładne pomiary geometryczne są kluczowe, takich jak metrologia czy wspomaganie robotyki, obiektywy o niskim poziomie zniekształceń są niezastąpione. Na przykład w systemie pobierania przedmiotów przez ramię robota, niezbędny jest obiektyw o minimalnym zniekształceniu, aby dokładnie określić pozycję i orientację obiektów.

Zasięg roboczy

Odległość robocza to odległość od czoła obiektywu do obrazowanego obiektu. Wyznacza ją wymóg aplikacji. Niektóre zastosowania, takie jak inspekcja drobnych elementów na płytce drukowanej, mogą wymagać krótkiej odległości roboczej, podczas gdy inne, jak np. monitorowanie dużych obszarów zewnętrznych, potrzebują długiej odległości roboczej. Odległość robocza wpływa również na inne parametry obiektywu, takie jak pole widzenia i głębia ostrości.

Montaż i kompatybilność

Obiektyw musi być kompatybilny z kamerą, z którą jest używany. Różne kamery mają różne typy nasadzeń, takie jak gwint C-mount, CS-mount lub F-mount. Ważne jest, aby upewnić się, że obiektyw ma odpowiednie nasadzenie, aby pasował do kamery w sposób zapewniający stabilność. Dodatkowo, obiektyw powinien być kompatybilny z rozmiarem czujnika kamery. Stosowanie obiektywu o zbyt małym okręgu obrazowania dla czujnika może prowadzić do vignettingu (przyciemnienia rogów obrazu) lub niepełnego pokrycia czujnika.

Typy obiektywów do wizji maszynowej

Obiektywy o stałej ogniskowej

Obiektywy o stałej ogniskowej, znane również jako obiektywy pierwsze, posiadają jedną, niezmienną ogniskową. Są stosunkowo proste pod względem konstrukcji i często zapewniają wysoką jakość optyczną w zakresie rozdzielczości i niskiego zniekształcenia. Takie obiektywy są odpowiednie do zastosowań, w których kąt widzenia i odległość robocza są stałe. Na przykład, w systemie odczytu kodów kreskowych na kasie sklepowej, obiektyw o stałej ogniskowej może być używany do uzyskiwania wyraźnych obrazów kodów kreskowych z określonej odległości.

Obiektywy zoom

Obiektywy zoomujące pozwalają użytkownikowi zmieniać ogniskową, co z kolei zmienia kąt widzenia. Dzięki temu są uniwersalne w zastosowaniach, w których kamera musi przechwytywać różne obszary lub obiekty z różnych odległości. W systemie monitoringu bezpieczeństwa obiektyw zoomujący można dostosować tak, aby skupiał się na różnych częściach budynku lub śledził poruszające się obiekty. Jednak obiektywy zoomujące mogą nie zapewniać takiej samej jakości optycznej co obiektywy o stałej ogniskowej, zwłaszcza pod względem rozdzielczości i zniekształceń.

Obiektywy telecentryczne

Obiektywy telecentryczne zostały zaprojektowane tak, aby mieć stałe powiększenie niezależnie od odległości obiektu w określonym zakresie. Dzięki temu są idealne do zastosowań wymagających dokładnych pomiarów liniowych, takich jak kontrola jakości wyprodukowanych części. W precyzyjnej fabryce obróbki mechanicznej obiektywy telecentryczne mogą być używane do mierzenia wymiarów komponentów z dużą dokładnością, ponieważ eliminują one efekty perspektywicznych zniekształceń.

Soczewki makro

Obiektywy makro są zoptymalizowane pod kątem fotografii zbliżeniowej i pozwalają osiągnąć wysokie powiększenie. Stosuje się je w zastosowaniach, gdzie trzeba zbadać drobne obiekty lub szczegółowe elementy, na przykład podczas inspekcji biżuterii czy obrazowania preparatów biologicznych. W procesie produkcji biżuterii obiektywy makro mogą być wykorzystywane do kontroli skomplikowanych detali opraw brylantów lub jakości obróbki metalu.

Wnioski

Wybór odpowiedniego obiektywu do aplikacji wizyjnej to skomplikowany proces, który wymaga uwzględnienia wielu czynników. Dokładnie oceniając pole widzenia, rozdzielczość, głębię ostrości, dystorsję, odległość roboczą, kompatybilność montażu oraz wymagania środowiskowe inżynierowie i integratorzy systemów mogą dobrać obiektyw, który zoptymalizuje wydajność systemu wizyjnego. Niezależnie od tego, czy jest on przeznaczony do automatyki przemysłowej, kontroli jakości czy badań naukowych, prawidłowy wybór obiektywu to klucz do uzyskania dokładnych i wiarygodnych danych obrazowych służących dalszej analizie i podejmowaniu decyzji.