Руководство по выбору объективов машинного зрения для промышленных применений

Ключевые оптические параметры: поле обзора (FOV), рабочее расстояние и фокусное расстояние

Как поле обзора (FOV) определяет пригодность объектива для машинного зрения при инспекции на сборочной линии

Поле обзора (FOV — сокращённо) определяет, какую область камера способна одновременно видеть. Это особенно важно при контроле изделий на сборочных линиях. Если поле обзора слишком узкое, мелкие дефекты по краям могут остаться полностью незамеченными. С другой стороны, чрезмерное расширение поля обзора означает, что каждый пиксель покрывает большую площадь, из-за чего детали начинают размываться, а разрешение снижается. Для расчёта существует удобная формула: размер сенсора умножается на рабочее расстояние и делится на фокусное расстояние. Например, если требуется охватить всю область с помощью сенсора размером 100 мм, то, скорее всего, потребуется либо приблизиться к объекту, либо выбрать другой объектив — в зависимости от доступного пространства. Согласно некоторым отраслевым отчётам, почти треть всех проблем с системами машинного зрения обусловлена изначально неправильно выбранным полем обзора. Корректный выбор FOV гарантирует, что каждый миллиметр деталей будет сканироваться надлежащим образом без искажений, вызванных движением, что в конечном счёте позволяет быстрее выявлять дефекты в условиях интенсивного серийного производства.

Взаимосвязь рабочего расстояния и фокусного расстояния в системах роботизированного управления и встроенных систем машинного зрения

Соотношение между рабочим расстоянием (зазором между объективом и объектом) и фокусным расстоянием обратное, что особенно важно для систем роботизированного управления и встроенных технологий машинного зрения. Когда требуется увеличить рабочее расстояние, фокусное расстояние также должно быть увеличено, чтобы сохранить чёткость изображения — это критически важно для безопасного перемещения роботов без столкновений с окружающими предметами. Однако всегда существует компромисс: увеличение фокусного расстояния приводит к уменьшению глубины резкости, из-за чего точная настройка становится крайне сложной задачей. В условиях ограниченного пространства, например при использовании оборудования для инспекции печатных плат (PCB), короткие фокусные расстояния позволяют размещать камеру ближе к объекту, не теряя при этом необходимой детализации. Правильный баланс этих параметров помогает снизить размытие движущихся объектов. Промышленные испытания показывают, что при каждом увеличении фокусного расстояния поперечное разрешение возрастает на 15–30 %, что позволяет таким системам достигать точности до микронов при автоматизированных задачах наведения.

Совместимость датчиков и стандарты крепления для надежной интеграции объективов машинного зрения

Покрытие круга изображения по сравнению с размером датчика: почему несоответствие объектива машинного зрения приводит к виньетированию и потере разрешения

Выбор неправильного линза машинного зрения для датчика, поскольку он охватывает недостаточную площадь, что в дальнейшем приводит к серьёзным оптическим проблемам. Если объектив проецирует изображение в виде круга меньшего диаметра, чем требуется датчику, возникает так называемое виньетирование — затемнение углов кадра, при котором уровень освещённости в углах может снижаться до 80 %. Это означает полную потерю ценной информации с этих участков изображения. Далее ситуация усугубляется ещё больше с точки зрения разрешения. Например, если 12-мегапиксельный датчик используется совместно с объективом, рассчитанным всего на формат 1/1.8 дюйма, реальная производительность в условиях эксплуатации снижается примерно до 8 мегапикселей максимум. Для специалистов, работающих с печатными платами, подобный дефицит разрешения может скрыть микроскопические трещины шириной менее 10 микрон. Хорошее эмпирическое правило при выборе объективов: проверяйте, указано ли в технических характеристиках, что диаметр покрываемого им изображения превышает диагональ датчика как минимум на 10 %.

Крепление C-Mount и крепление CS-Mount: механическая совместимость, заднее фокусное расстояние и практические ограничения в компактных системах

Резьба на объективах с креплением C-mount (с фланцевым расстоянием 17,526 мм) и объективах с креплением CS-mount (с фланцевым расстоянием 12,526 мм) совместима механически, однако между ними существуют значительные различия в отношении заднего фокусного расстояния. Если попытаться насильно установить объектив с креплением CS-mount на камеру с креплением C-mount, возникает размытие порядка 5 мм, которое может привести к потере чёткости мельчайших деталей с допуском до 0,1 мм. Подобные проблемы возникают постоянно при роботизированных операциях «захват-перемещение-установка». С другой стороны, установка объектива с креплением C-mount на корпус камеры с креплением CS-mount требует специальных дистанционных колец, которые фактически снижают устойчивость конструкции — особенно важно это для встраиваемых систем, подверженных постоянным вибрациям. Производители медицинского оборудования хорошо осведомлены об этом, поскольку их оборудование зачастую должно размещаться в крайне ограниченных пространствах объёмом около 50 кубических миллиметров. Более компактные размеры объективов с креплением CS-mount позволяют обеспечить фокусировку в таких условиях, где объективы с креплением C-mount просто не достигают нужной точки. Большинство специалистов придерживаются стандартных практик, чтобы избежать осложнений при монтаже. Как правило, крепление CS-mount применяется для датчиков с диагональю менее половины дюйма, тогда как более крупные датчики используют крепление C-mount.

Диафрагма, глубина резкости и ключевые оптические показатели производительности

Оптимизация значения F-числа: баланс светового потока, глубины резкости и размытия движения при высокоскоростном контроле

В промышленных системах машинного зрения значение диафрагмы (f-число, f/#) одновременно регулирует три важных параметра: количество света, проходящего через объектив, глубину резкости (ГРИП) и устойчивость изображения к размытию при движении. При установке меньших значений диафрагмы, например f/1.4, в объектив поступает значительно больше света — это выгодно при слабом освещении, однако имеет свою цену: глубина резкости становится очень малой, поэтому при наличии неровностей поверхности объекта контроля отдельные участки могут выходить из фокуса. Напротив, большие значения диафрагмы, такие как f/16, обеспечивают значительно лучшее покрытие глубины резкости, необходимое для точных размерных измерений. Однако это требует увеличения времени экспозиции, что повышает вероятность возникновения размытия при движении, особенно при контроле быстро перемещающихся объектов на конвейерах, работающих со скоростью более 1/10 000 секунды на кадр. Поиск оптимального компромисса между этими противоречивыми требованиями требует тщательного учёта как условий освещения, так и производственных требований.

• Рассчитайте гиперфокальное расстояние для поддержания фокуса в пределах допустимых зон
• Согласуйте диафрагму с интенсивностью вспышки — более 50 000 люкс позволяет использовать значение f/8+ без штрафа за шум
• Отдавайте предпочтение значениям f/4–f/8 более чем в 92 % случаев высокоскоростных применений (Ассоциация автоматизированной визуальной инспекции, 2023 г.)

Сбалансированность этих параметров предотвращает ложные отбраковки и обеспечивает производительность выше 300 шт./мин.

Функция передачи модуляции (MTF), дисторсия и контраст — как технические характеристики объективов машинного зрения напрямую влияют на точность обнаружения дефектов

Способность надежно обнаруживать дефекты зависит от нескольких факторов, включая функцию передачи модуляции (MTF), уровень искажений и контрастность между объектами. Когда значения MTF остаются выше 0,6 на так называемой частоте Найквиста сенсора, погрешность измерения краёв составляет примерно половину пикселя — это особенно важно при поиске микроскопических трещин шириной всего в несколько микрон. Поддержание уровня искажений ниже 0,1 % помогает избежать раздражающих геометрических ошибок, возникающих при измерительных работах. А высокое значение контрастности — свыше 90:1 — принципиально влияет на способность выявлять мелкие дефекты, такие как следы окисления, на фоне сложных текстур поверхности. Эти параметры — не просто цифры на бумаге: они ежедневно оказывают прямое влияние на результаты реальных инспекций.

Субоптимальная функция передачи модуляции (MTF) или искажение более 0,3 % приводит к 37 % ложноотрицательных результатов при инспекции печатных плат (Vision Systems Design, 2024). Таким образом, технические характеристики объективов машинного зрения напрямую определяют точность контроля качества.

Специализированные типы объективов машинного зрения для точных промышленных задач

Телескопические объективы в метрологии: устранение перспективной погрешности для обеспечения стабильности измерений с разрешением ниже одного пикселя

Телецентрические объективы абсолютно необходимы для промышленных метрологических задач, требующих стабильности измерений на уровне долей пикселя. У обычных объективов возникает проблема изменения увеличения при перемещении объекта ближе или дальше, что вызывает перспективные искажения, достигающие более чем 0,5 % при углах обзора около 30 градусов. В телецентрической оптике все главные лучи остаются параллельными. Это означает, что увеличение остаётся постоянным независимо от глубины расположения объекта в поле зрения. Такая особенность критически важна при проверке, например, совмещения контактных площадок печатных плат (PCB) или профиля зубьев шестерён, поскольку даже микронные искажения могут привести к потере качества продукции. Для автоматизированных контрольных измерений такие объективы обеспечивают воспроизводимость результатов с точностью до ±0,01 мм благодаря устранению ошибок масштабирования, обусловленных перспективными искажениями. Кроме того, отсутствие угловых искажений значительно упрощает калибровку. Время настройки сокращается на 30–40 % по сравнению с использованием обычных объективов в условиях прецизионного производства.

Готовы выбрать подходящий объектив машинного зрения?

Правильный объектив обеспечивает баланс между углом обзора (FOV), рабочим расстоянием, совместимостью с датчиком и показателями производительности, что позволяет точно соответствовать вашему промышленному применению. Избегание несоответствий и приоритизация ключевых технических характеристик обеспечивают надёжное обнаружение дефектов и точность измерений.

Для получения рекомендаций по совместимости объективов и камер, специализированных решений (например, телескопических объективов) или услуг по кастомной адаптации обратитесь к поставщику с подтверждённым промышленным опытом. 15-летний опыт HIFLY в области машинного зрения — от объективов и камер до комплексных решений — гарантирует соответствие ваших производственных требований. Свяжитесь с нами уже сегодня для бесплатной консультации, чтобы уточнить выбор объектива.