Att välja rätt objektiv för maskinseendeapplikationer

Introduktion

Maskinvision har blivit en integrerad del av modern industriell tillverkning och processer, vilket möjliggör automatisering, kvalitetskontroll och inspektion med hög precision. En avgörande komponent i alla maskinvisionssystem är objektivet, som spelar en avgörande roll för att fånga skarpa och exakta bilder för vidare analys. Rätt val av objektiv är avgörande för att säkerställa systemets totala prestanda och effektivitet. Den här artikeln kommer att gå igenom de viktigaste faktorerna att ta hänsyn till vid val av objektiv för maskinvision, samt olika typer av objektiv och deras användningsområden.

Viktiga faktorer vid val av objektiv

Synfält (FOV)

Synfältet är den yta som kameran och objektivet kan fånga. Det bestäms av arbetsavståndet (avståndet mellan objektivet och den avbildade föremålet) och objektivets brännvidd. Ett bredare synfält är användbart för applikationer som kräver att ett stort område övervakas, såsom vid storskalig industriell inspektion eller övervakning. Till exempel kan ett objektiv med brett synfält användas i en livsmedelsfabrik för att övervaka hela förpackningslinjen och säkerställa att alla produkter är korrekt förpackade.

Upplösning

Upplösningen på objektivet syftar till dess förmåga att skilja mellan fina detaljer i en bild. Objektiv med hög upplösning är nödvändiga för applikationer där exakta mätningar eller identifiering av små detaljer krävs. Till exempel i en halvledarframställningsprocess, där ett objektiv med hög upplösning behövs för att inspektera de små kretsarna på en siliciumwafer. Upplösningen för ett objektiv anges ofta i linjepar per millimeter (lp/mm). Ett högre lp/mm-värde indikerar ett bättre upplösningsförmående objektiv. Det är viktigt att anpassa objektivets upplösning till kamerans sensorns upplösning. Om objektivet har lägre upplösning än sensorn kommer sensorns fulla potential inte att utnyttjas.

Fokussdjup (DoF)

Skärpedjupet är avståndsområdet från objektivet inom vilket objekt framstår som tillräckligt skarpa i bilden. Ett stort skärpedjup är fördelaktigt när objekt befinner sig på olika avstånd från kameran eller när det föreligger viss variation i objektets position. I ett 3D-utskriftsinspektionssystem, där de utskrivna delarna kan ha olika höjder, kan ett objektiv med stort skärpedjup säkerställa att alla delar av objektet är i fokus. Skärpedjupet påverkas av flera faktorer, bland annat brännvidden, bländarstorleken och arbetsavståndet. Generellt ger en kortare brännvidd, en mindre bländare (högre f-tal) och ett större arbetsavstånd ett större skärpedjup.

Förvrängning

Distorsion i en lins orsakar att bilden av ett rätlinjigt objekt ser ut som krökt. Det finns två huvudtyper av distorsion: tunnelformig distorsion, där bilden verkar svälla utåt vid kanterna, och kuddeformig distorsion, där bilden verkar dras inåt vid kanterna. I tillämpningar där exakta geometriska mätningar är avgörande, såsom inom metrologi eller robotstyrd navigering, är linser med låg distorsion nödvändiga. Till exempel i ett plocksystem med robotarm behövs en lins med minimal distorsion för att exakt kunna identifiera positionen och orienteringen hos objekt.

Arbetsavstånd

Arbetsavståndet är avståndet från linsens framsida till objektet som avbildas. Det bestäms av ansökningskraven. Vissa applikationer, såsom att inspektera små komponenter på en kretskort, kan kräva ett kort arbetsavstånd, medan andra, såsom att övervaka stora utomhusområden, behöver ett långt arbetsavstånd. Arbetsavståndet påverkar också andra linsparametrar, såsom synfält och skärpedjup.

Montering och Kompatibilitet

Linsen måste vara kompatibel med den kamera den används med. Olika kameras har olika typer av fästen, såsom C-fäste, CS-fäste eller F-fäste. Det är viktigt att säkerställa att linsen har rätt fäste för att passa kameran ordentligt. Dessutom bör linsen vara kompatibel med kamerans sensorns storlek. Att använda en lins med en bildcirkel som är för liten för sensorn kan resultera i vignettering (mörkning av bildens hörn) eller ofullständig täckning av sensorn.

Typer av maskinseendelinsar

Fast - Brännviddlinsar

Fast-brännviddlinsar, även kända som primlinsar, har en enda, oföränderlig brännvidd. De är relativt enkla i design och erbjuder ofta hög optisk prestanda vad gäller upplösning och låg distortion. Dessa linser är lämpliga för applikationer där synfältet och arbetsavståndet är fasta. Till exempel, i ett streckkodsläsningssystem vid en kassa i en livsmedelsbutik, kan en fast-brännviddlins användas för att fånga in tydliga bilder av streckkoder på ett specifikt avstånd.

Zoomlinsar

Zoomobjektiv gör det möjligt för användaren att ändra brännvidden, vilket i sin tur förändrar synfältet. Detta gör dem mångsidiga för applikationer där kameran behöver fånga in olika områden eller objekt på varierande avstånd. I ett säkerhetsovervakningssystem kan ett zoomobjektiv justeras för att fokusera på olika delar av en byggnad eller för att följa rörliga objekt. Zoomobjektiv kan dock inte alltid erbjuda samma nivå av optisk prestanda som objektiv med fast brännvidd, särskilt när det gäller upplösning och distortion.

Telecentriska Linsar

Telecentriska objektiv är utformade för att ha en konstant förstoring oavsett objektets avstånd inom ett visst intervall. Detta gör dem idealiska för applikationer som kräver exakta dimensionsmätningar, till exempel vid kvalitetskontroll av tillverkade komponenter. I en fabrik för precisionsbearbetning kan telecentriska objektiv användas för att mäta dimensionerna på mekaniskt bearbetade komponenter med hög noggrannhet, eftersom de eliminerar effekterna av perspektivisk distortion.

Makrolinser

Makroobjektiv är optimerade för närfotografering och kan uppnå höga förstoringsförhållanden. De används i tillämpningar där små objekt eller fina detaljer behöver undersökas, såsom vid smyckekontroll eller avbildning av biologiska prov. I en smyckestillverkningsprocess kan makroobjektiv användas för att inspektera de intrikata detaljerna i stenfattningar eller metallarbetets kvalitet.

Slutsats

Att välja rätt objektiv för ett maskinseende-tillämpning är en komplex process som innebär att man tar hänsyn till flera faktorer. Genom att noggrant utvärdera synfält, upplösning, skärpedjup, distortion, arbetsavstånd, monteringskompatibilitet och miljökrav kan ingenjörer och systemintegratörer välja ett objektiv som optimerar maskinseendesystemets prestanda. Oavsett om det gäller industriell automatisering, kvalitetskontroll eller vetenskaplig forskning, är korrekt val av objektiv nyckeln till att erhålla exakta och tillförlitliga bilddata för vidare analys och beslutsfattande.