Посібник із вибору об’єктивів машинного зору для промислових застосувань

Ключові оптичні параметри: поле огляду, робоча відстань та фокусна відстань

Як поле огляду (FOV) визначає придатність об'єктива для машинного зору при інспекції на конвеєрі збірки

Кут огляду, або FOV (від англ. field of view), по суті вказує на ділянку, яку камера здатна одночасно бачити, що має велике значення під час інспекції продуктів на конвеєрних лініях. Якщо кут огляду надто вузький, невеликі дефекти по краях можуть взагалі залишитися непоміченими. З іншого боку, надто широкий кут огляду означає, що кожен піксель «покриває» більшу площу, тому деталі починають розмиватися, а роздільна здатність знижується. Існує зручна формула для розрахунку всього цього: розмір сенсора помножити на робочу відстань і поділити на фокусну відстань. Наприклад, якщо потрібно охопити всю ділянку за допомогою сенсора розміром 100 мм, ймовірно, доведеться або наблизитися до об’єкта, або взагалі обрати іншу лінзу — залежно від наявного простору. Згідно з деякими галузевими звітами, майже третина всіх проблем із системами технічного зору пов’язана з початковим неправильним вибором кута огляду. Правильне його визначення забезпечує якісне сканування кожної частини без тих неприємних артефактів руху, що заважають процесу, і в кінцевому підсумку сприяє швидшому виявленню дефектів у ході інтенсивного виробництва.

Взаємодія робочої відстані та фокусної довжини в системах роботизованого керування та вбудованих візуальних системах

Залежність між робочою відстанню (відстанню між об'єктивом і об'єктом) та фокусною відстанню є оберненою, що має принципове значення для систем роботизованого наведення та вбудованих візуальних технологій. Коли потрібна більша робоча відстань, фокусна відстань також має збільшуватися, щоб зберегти чіткість зображення — це критично важливо для роботів, які безпечно переміщуються в просторі, уникнувши зіткнень із перешкодами. Однак завжди існує певна «пастка». Збільшення фокусної відстані фактично зменшує глибину різкості, тому досягнення оптимального налаштування перетворюється на справжній кошмар калібрування. У тісних просторах, де обладнання, наприклад, інструменти для перевірки друкованих плат (PCB), має розміщуватися компактно, коротші фокусні відстані дозволяють наблизитися до об'єктів, не втрачаючи при цьому необхідної деталізації. Правильне співвідношення цих параметрів допомагає зменшити розмиття руху, коли об'єкти переміщуються з великою швидкістю. Промислові випробування показують, що кожне збільшення фокусної відстані призводить до підвищення поперечної роздільної здатності на 15–30 %, що означає: такі системи можуть точно виявляти цілі розміром до мікронів у завданнях автоматичного наведення.

Сумісність датчиків та стандарти кріплення для надійної інтеграції об’єктивів машинного зору

Покриття зображення колом порівняно з розміром датчика: чому неправильний вибір об’єктива машинного зору призводить до віньєтування та втрати роздільної здатності

Отримання неправильного лензи машинного зору для сенсора, оскільки він не охоплює достатньо велику площу, що призводить до серйозних оптичних проблем у подальшому. Якщо об’єктив проектує круг зображення меншого розміру, ніж потрібно сенсору, ми спостерігаємо так зване віньєтування, при якому кути зображення стають надзвичайно темними, іноді рівень освітленості в них падає аж на 80 %. Це означає повну втрату цінних даних із цих країв. Наступне, що відбувається, ще гірше впливає на роздільну здатність. Наприклад, сенсор із роздільною здатністю 12 мегапікселів, поєднаний з об’єктивом, розрахованим лише на формат 1/1,8 дюйма, у реальних умовах забезпечує максимальну роздільну здатність лише близько 8 мегапікселів. Для фахівців, які працюють із друкованими платами, така недостатність може приховувати мікротріщини завширшки менше 10 мікрон. Загальне практичне правило під час вибору об’єктивів: перевіряйте, чи в технічних характеристиках зазначено, що діаметр круга зображення перевищує діагональ сенсора принаймні на 10 %.

C-гвинтове кріплення проти CS-гвинтового кріплення: механічна сумісність, відстань від заднього фокуса та реальні обмеження в компактних системах

Різьба на об'єктивах з кріпленням C-mount (з відстанню до фланця 17,526 мм) та об'єктивах з кріпленням CS-mount (з відстанню до фланця 12,526 мм) механічно сумісна, хоча між ними є суттєві відмінності щодо задньої фокусної відстані. Якщо спробувати примусово встановити об'єктив з кріпленням CS-mount на камеру з кріпленням C-mount, це призведе до розфокусування приблизно на 5 мм, що може зробити розмитими дрібні деталі з точністю до 0,1 мм. Такі проблеми виникають постійно під час роботизованих операцій «захоплення й розміщення». З іншого боку, встановлення об'єктива з кріпленням C-mount на корпус камери з кріпленням CS-mount вимагає спеціальних прокладок, які фактично знижують стабільність конструкції, що особливо важливо в ембедед-системах, які постійно піддаються вібраціям. Виробники медичного обладнання добре знають це, оскільки їхні пристрої часто мають розміщуватися в надзвичайно обмежених просторах об’ємом близько 50 кубічних міліметрів. Менші габарити кріплення CS-mount дозволяють здійснювати фокусування в таких ситуаціях, де кріплення C-mount просто не досягає потрібної точки. Більшість користувачів дотримуються стандартних практик, щоб уникнути ускладнень під час встановлення. Зазвичай кріплення CS-mount використовується для сенсорів менше ніж півдюйма, тоді як для більших сенсорів застосовується кріплення C-mount.

Діафрагма, глибина різкості та критичні оптичні показники продуктивності

Оптимізація f-числа: збалансування світлового потоку, глибини різкості та розмиття руху під час швидкісного огляду

У промислових системах машинного зору значення f-числа (f/№) одночасно керує трьома важливими параметрами: кількістю світла, що проходить через об’єктив, глибиною різкості (ГР) та стійкістю зображення до розмиття внаслідок руху. Коли ми встановлюємо менші значення f-числа, наприклад f/1.4, через об’єктив проходить значно більше світла — це дуже корисно за умов слабкого освітлення, але має й свої недоліки. Глибина різкості стає надзвичайно малою, тому, якщо на поверхні об’єкта, що підлягає контролю, є нерівності висоти, окремі його частини можуть вийти з фокусу. Навпаки, більші значення, такі як f/16, забезпечують значно краще покриття глибини різкості, необхідне для точних розмірних вимірювань. Однак це вимагає довших часів експозиції, що робить зображення схильнішим до розмиття внаслідок руху, особливо при контролі швидко рухомих об’єктів на конвеєрах, які працюють зі швидкістю понад 1/10 000 секунди на кадр. Пошук оптимального компромісу між цими протилежними вимогами вимагає ретельного врахування як умов освітлення, так і виробничих вимог.

• Обчисліть гіперфокальну відстань, щоб зберегти фокус у межах допустимих зон
• Підберіть діафрагму відповідно до інтенсивності стробоскопа — понад 50 000 люкс дозволяє використовувати f/8+ без штрафу за шум
• Надавайте перевагу діафрагмі f/4–f/8 у понад 92 % високошвидкісних застосувань (Асоціація автоматизованого візуального контролю, 2023)

Збалансування цих чинників запобігає хибним відхиленням і одночасно забезпечує продуктивність понад 300 шт./хв.

Функція передачі модуляції (MTF), спотворення та контраст — як специфікації об’єктивів машинного зору безпосередньо впливають на точність виявлення дефектів

Здатність надійно виявляти дефекти залежить від кількох факторів, у тому числі від функції передачі модуляції (MTF), рівня спотворень та якості контрасту між об’єктами. Коли значення MTF залишаються вище 0,6 на так званій частоті Найквіста сенсора, точність вимірювання країв становить приблизно півпікселя — це має велике значення під час пошуку дуже малих тріщин розміром лише кілька мікронів. Підтримка рівня спотворень нижче 0,1 % допомагає уникнути неприємних геометричних помилок, що виникають під час вимірювальних робіт. А високі значення контрастності понад 90:1 кардинально полегшують виявлення невеликих дефектів, наприклад слідів окиснення на складних текстурах фону. Ці параметри — це не просто цифри на папері; вони щодня безпосередньо впливають на результати практичного контролю.

Підоптимальне значення МФП або спотворення понад 0,3 % призводить до 37 % хибно негативних результатів при інспекції друкованих плат (Vision Systems Design, 2024). Отже, технічні характеристики об’єктивів машинного зору безпосередньо визначають точність контролю якості.

Спеціалізовані типи об’єктивів машинного зору для точних промислових завдань

Телескопічні об’єктиви в метрології: усунення перспективної похибки для забезпечення стабільності вимірювань з точністю менше одного пікселя

Телецентричні об'єктиви є абсолютно необхідними для промислових метрологічних застосувань, які вимагають стабільності вимірювань на рівні меншому за піксель. Звичайні об'єктиви мають проблему зміни збільшення при наближенні або віддаленні об'єктів, що призводить до перспективних похибок, які можуть перевищувати 0,5 % при кутах близько 30 градусів. У телецентричній оптиці всі головні промені залишаються паралельними. Це означає, що збільшення залишається незмінним незалежно від глибини розташування об'єкта в полі зору. Це має принципове значення під час контролю, наприклад, вирівнювання контактних площадок на друкованих платах (PCB) або профілів зубців шестерень, де навіть незначні спотворення на мікронному рівні можуть зруйнувати якість продукту. Для автоматизованих контрольних вимірювань ці об'єктиви забезпечують повторюваність результатів з точністю до ±0,01 мм, оскільки вони усувають дратівливі похибки масштабування, пов’язані з перспективою. Крім того, оскільки немає кутових спотворень, калібрування стає значно простішим. Час налаштування скорочується на 30–40 % порівняно зі звичайними об'єктивами в умовах точного виробництва.

Готові вибрати правильний об'єктив машинного зору?

Правильний об'єктив забезпечує оптимальний баланс між кутом огляду (FOV), робочою відстанню, сумісністю з сенсором та показниками продуктивності, щоб відповідати вашому промисловому застосуванню. Уникнення несумісності та надання пріоритету ключовим технічним характеристикам забезпечує надійне виявлення дефектів і точність вимірювань.

Щодо порад щодо сумісності об'єктивів із камерами, спеціалізованих варіантів (наприклад, телесентрічних об'єктивів) або послуг індивідуального адаптування — звертайтесь до постачальника з доведеним промисловим досвідом. 15-річний досвід HIFLY у сфері машинного зору — включаючи об'єктиви, камери та комплексні рішення — гарантує відповідність ваших виробничих вимог. Зв’яжіться з нами вже сьогодні для безкоштовної консультації з уточнення вибору об'єктива.