Вибір правильної лінзи для застосування машинного зору

Вступ

Машинний зір став невід'ємною частиною сучасних промислових і виробничих процесів, що дозволяє автоматизувати виконання завдань, контролювати якість та проводити перевірки з високою точністю. Важливою складовою будь-якої системи машинного зору є об'єктив, який відіграє ключову роль у зйомці чітких і точних зображень для подальшого аналізу. Правильний вибір об'єктива має вирішальне значення для забезпечення загальної продуктивності та ефективності застосування машинного зору. У цій статті ми розглянемо основні чинники, які слід враховувати при виборі об'єктива для машинного зору, а також різні типи об'єктивів та їх застосування.

Основні чинники у виборі об'єктива

Поле зору (FOV)

Кут огляду — це область, яку може зафіксувати камера та об'єктив. Він визначається робочою відстанню (відстань між об'єктивом і об'єктом, що знімається) та фокусною довжиною об'єктива. Більший кут огляду корисний для застосувань, де потрібно спостерігати велику площу, наприклад, у великих промислових перевірках або системах спостереження. Наприклад, на харчовому пакувальному заводі об'єктив з широким кутом огляду може використовуватися для контролю всієї пакувальної лінії, щоб переконатися, що всі продукти правильно запаковані.

Роздільна здатність

Роздільна здатність об'єктива вказує на його здатність розрізняти дрібні деталі зображення. Для застосувань, де необхідні точні вимірювання або виявлення малих особливостей, потрібні об'єктиви з високою роздільною здатністю. Наприклад, у процесі виробництва напівпровідників необхідний об'єктив із високою роздільною здатністю для перевірки крихітних кіл на кремнієвому пластині. Роздільна здатність об'єктива часто вказується в лінійних парах на міліметр (lp/mm). Більше значення lp/mm означає кращий розділювальну здатність об'єктива. Важливо погодити роздільну здатність об'єктива з роздільною здатністю сенсора камери. Якщо роздільна здатність об'єктива нижче, ніж у сенсора, повний потенціал сенсора не буде використаний.

Зона чіткості (DoF)

Глибина різкості — це діапазон відстаней від об'єктива, у межах якого об'єкти здаються прийнятно чіткими на зображенні. Велика глибина різкості є корисною, коли об'єкти перебувають на різній відстані від камери або коли існує певна варіація положення об'єкта. У системі контролю 3D-друку, де надруковані деталі можуть мати різну висоту, об'єктив із великою глибиною різкості може забезпечити чіткість усіх частин об'єкта. На глибину різкості впливає кілька факторів, серед яких фокусна довжина, розмір діафрагми та робоча відстань. Як правило, менша фокусна довжина, менший отвір (вище значення f-числа), а також більша робоча відстань призводять до збільшення глибини різкості.

Зіплення

Викривлення в об'єктиві призводить до того, що зображення об'єкта з прямими лініями виглядає викривленим. Існують два основних типи викривлення: бочкоподібне викривлення, коли зображення здається випуклим по краях, і подушкоподібне викривлення, коли зображення здається стиснутим всередину по краях. У застосуваннях, де точні геометричні вимірювання мають критичне значення, таких як метрологія або навігація роботів, об'єктиви з мінімальним викривленням є необхідними. Наприклад, у системі вибору роботизованого маніпулятора потрібен об'єктив із мінімальним викривленням для точної ідентифікації положення та орієнтації об'єктів.

Робоча відстань

Робоча відстань — це відстань від передньої частини об'єктива до об'єкта, що сканується. Вона визначається вимогами конкретного застосування. Деякі застосування, наприклад, перевірка малих компонентів на друкованій платі, можуть вимагати короткої робочої відстані, тоді як інші, такі як моніторинг великих зовнішніх просторів, потребують довгої робочої відстані. Робоча відстань також впливає на інші параметри об'єктива, такі як кут огляду та глибина різкості.

Встановлення та сумісність

Об'єктив має бути сумісним з камерою, з якою він використовується. У різних камер є різні типи кріплень, такі як C-тип, CS-тип або F-тип. Важливо переконатися, що об'єктив має правильне кріплення для надійного фіксування на камері. Крім того, об'єктив має бути сумісним із розміром сенсора камери. Використання об'єктива з діаметром зображення, занадто малим для сенсора, може призвести до віньєтування (потемніння кутів зображення) або неповного охоплення сенсора.

Типи промислових об'єктивів

Об'єктиви з фіксованою фокусною відстанню

Об'єктиви з фіксованою фокусною відстанню, також відомі як прості об'єктиви, мають одну незмінну фокусну відстань. Вони мають порівняно просту конструкцію та часто забезпечують високу оптичну якість зображення щодо роздільної здатності та мінімальних спотворень. Ці об'єктиви підходять для застосувань, у яких кут огляду та робоча відстань фіксовані. Наприклад, у системі сканування штрих-кодів на касі супермаркету можна використовувати об'єктив з фіксованою фокусною відстанню, щоб отримувати чіткі зображення штрих-кодів на певній відстані.

Телескопічні об'єктиви

Зум-об'єктиви дозволяють користувачеві змінювати фокусну відстань, що, у свою чергу, змінює кут огляду. Це робить їх багатофункціональними для застосувань, де камера має захоплювати різні зони або об'єкти на різних відстанях. У системі безпеки та спостереження зум-об'єктив можна налаштувати так, щоб він фокусувався на різних частинах будівлі або стежив за рухомими об'єктами. Однак зум-об'єктиви можуть не забезпечувати такого самого рівня оптичної якості, як об'єктиви з фіксованою фокусною відстанню, особливо що стосується роздільної здатності й викривлення.

Телецентричні лінзи

Телецентричні об'єктиви створені так, щоб мати постійне збільшення незалежно від відстані до об'єкта в певному діапазоні. Це робить їх ідеальними для застосувань, які потребують точних вимірювань розмірів, наприклад, у контролі якості виготовлених деталей. На заводі з точної механічної обробки телецентричні об'єктиви можуть використовуватися для вимірювання розмірів оброблених компонентів із високою точністю, оскільки вони усувають ефекти перспективного викривлення.

Макрооб'єктиви

Макрооб'єктиви оптимізовані для знімків у великому масштабі та здатні досягати високих коефіцієнтів збільшення. Вони використовуються в застосунках, де потрібно досліджувати маленькі об'єкти або дрібні деталі, наприклад, при інспектуванні ювелірних виробів або отриманні зображень біологічних зразків. У процесі виготовлення ювелірних виробів макрооб'єктиви можуть використовуватися для перевірки складних деталей установки коштовних каменів або якості металевих робіт.

Висновок

Вибір правильного об'єктива для застосування машинного зору — це складний процес, який передбачає врахування кількох факторів. Уважно оцінивши поле зору, роздільну здатність, глибину різкості, спотворення, робочу відстань, сумісність з кріпленням та вимоги до навколишнього середовища, інженери та системні інтегратори можуть вибрати об'єктив, який оптимізує продуктивність системи машинного зору. Незалежно від того, чи це промислова автоматизація, контроль якості чи наукові дослідження, правильний вибір об'єктива є ключем до отримання точних і надійних зображень для подальшого аналізу та прийняття рішень.