Выбор правильного объектива для применения в системах машинного зрения

Введение

Системы машинного зрения стали неотъемлемой частью современных промышленных и производственных процессов, позволяя автоматизировать процессы, осуществлять контроль качества и выполнять задачи инспекции с высокой точностью. Важным компонентом любой системы машинного зрения является объектив, который играет ключевую роль в обеспечении четких и точных изображений для последующего анализа. Правильный выбор объектива имеет решающее значение для обеспечения общей эффективности и производительности системы машинного зрения. В этой статье будут рассмотрены основные факторы, которые необходимо учитывать при выборе объектива для машинного зрения, а также различные типы объективов и их применение.

Основные факторы при выборе объектива

Поля зрения (FOV)

Поле обзора — это область, которую камера и объектив могут захватить. Оно определяется рабочим расстоянием (расстоянием между объективом и объектом съемки) и фокусным расстоянием объектива. Более широкое поле обзора полезно для приложений, которым требуется наблюдение за большой площадью, например, при крупномасштабной промышленной инспекции или видеонаблюдении. Например, на заводе по производству пищевой упаковки объектив с широким полем обзора может использоваться для контроля всей линии упаковки, чтобы убедиться, что все продукты правильно упакованы.

Разрешение

Разрешающая способность объектива определяет его возможность различать мелкие детали изображения. Высокое разрешение объективов необходимо в приложениях, где требуется точное измерение или обнаружение мелких деталей. Например, в процессе производства полупроводников требуется объектив с высоким разрешением для проверки крошечных схем на кремниевой пластине. Разрешающая способность объектива обычно указывается в парах линий на миллиметр (lp/mm). Более высокое значение lp/mm означает лучшее разрешение объектива. Важно согласовать разрешение объектива с разрешением сенсора камеры. Если разрешение объектива ниже, чем у сенсора, то полный потенциал сенсора не будет использован.

Глубина резкости (DoF)

Глубина резкости — это диапазон расстояний от объектива, в пределах которого объекты выглядят достаточно четкими на изображении. Большая глубина резкости полезна, когда объекты находятся на разном расстоянии от камеры или когда положение объекта может немного варьироваться. В системе инспекции 3D-печати, где напечатанные детали могут иметь разную высоту, объектив с большой глубиной резкости позволяет убедиться, что все части объекта находятся в фокусе. Глубина резкости зависит от нескольких факторов, включая фокусное расстояние, размер диафрагмы и рабочее расстояние. Обычно более короткое фокусное расстояние, меньший размер диафрагмы (более высокий коэффициент f) и большее рабочее расстояние обеспечивают большую глубину резкости.

Извращение

Дисторсия в объективе вызывает искривление изображения объекта, имеющего прямые линии. Существует два основных типа дисторсии: бочкообразная дисторсия, при которой изображение по краям выглядит выпуклым, и подушкообразная дисторсия, при которой изображение по краям выглядит вогнутым. В приложениях, где точные геометрические измерения имеют решающее значение, таких как метрология или навигация роботов, объективы с низкой дисторсией являются необходимыми. Например, в системе захвата роботизированной рукой требуется объектив с минимальной дисторсией для точного определения положения и ориентации объектов.

Рабочее расстояние

Рабочее расстояние — это расстояние от передней части объектива до объекта, который находится на изображении. Оно определяется требованиями конкретного применения. Некоторые приложения, например, инспекция мелких компонентов на печатной плате, могут требовать короткого рабочего расстояния, в то время как другие, такие как мониторинг больших открытых пространств, требуют длинного рабочего расстояния. Рабочее расстояние также влияет на другие параметры объектива, такие как поле обзора и глубина резкости.

Монтаж и совместимость

Объектив должен быть совместим с используемой камерой. У разных камер могут быть различные типы креплений, такие как C-крепление, CS-крепление или F-крепление. Важно убедиться, что объектив имеет правильный тип крепления для надежной установки на камеру. Кроме того, объектив должен быть совместим с размером сенсора камеры. Использование объектива с диаметром изображения, слишком малым для сенсора, может привести к виньетированию (затемнению углов изображения) или неполному покрытию сенсора.

Типы объективов машинного зрения

Объективы с фиксированной длиной фокуса

Объективы с фиксированной длиной фокуса, также известные как простые объективы, имеют единственное, неизменное фокусное расстояние. Они относительно просты по конструкции и часто обеспечивают высокие оптические характеристики в плане разрешения и низкого уровня искажений. Эти объективы подходят для применений, где угол обзора и рабочее расстояние фиксированы. Например, в системе считывания штрих-кодов на кассе супермаркета объектив с фиксированным фокусным расстоянием может использоваться для получения четких изображений штрих-кодов с определенного расстояния.

Трансфокаторы

Трансфокаторы позволяют пользователю изменять фокусное расстояние, что, в свою очередь, изменяет угол обзора. Это делает их универсальными для применения в ситуациях, когда камера должна охватывать различные области или объекты на разных расстояниях. В системе видеонаблюдения трансфокатор можно настроить так, чтобы он фокусировался на различных частях здания или отслеживал движущиеся объекты. Однако трансфокаторы могут не обеспечивать того же уровня оптических характеристик, что и объективы с фиксированным фокусным расстоянием, особенно по части разрешения и искажений.

Телецентрические объективы

Телецентрические объективы спроектированы таким образом, чтобы обеспечивать постоянное увеличение независимо от расстояния до объекта в определенном диапазоне. Это делает их идеальными для задач, требующих точных измерений размеров, например, при контроле качества выпускаемых деталей. На заводе по производству прецизионных комплектующих телецентрические объективы могут использоваться для высокоточного измерения размеров обработанных деталей, поскольку они устраняют влияние перспективных искажений.

Макролинзы

Макрообъективы оптимизированы для съемки вблизи и способны обеспечивать высокие коэффициенты увеличения. Они используются в приложениях, где необходимо изучать мелкие объекты или детали, например, при инспекции ювелирных изделий или получении изображений биологических образцов. В процессе производства ювелирных изделий макрообъективы могут применяться для проверки сложных деталей установки драгоценных камней или качества обработки металла.

Заключение

Выбор правильного объектива для применения в системе машинного зрения — это сложный процесс, предусматривающий учет множества факторов. Тщательно оценивая поле обзора, разрешение, глубину резкости, искажения, рабочее расстояние, совместимость крепления и требования окружающей среды, инженеры и специалисты по интеграции систем могут выбрать объектив, который обеспечит оптимальную производительность системы машинного зрения. Независимо от того, применяется ли он в промышленной автоматизации, контроле качества или научных исследованиях, правильный выбор объектива является ключом к получению точных и надежных данных изображения для дальнейшего анализа и принятия решений.