Mettere a fuoco tutto: Trovare la lente giusta per il proprio sistema di visione
Per ottenere immagini nitide non basta una buona telecamera: solo l'obiettivo giusto garantisce una qualità ottimale. Gli obiettivi differiscono non solo per risoluzione, lunghezza focale e dimensioni, ma anche per il loro design. Nel seguente articolo ti mostreremo quale obiettivo è adatto per ogni situazione.
Quali sono i tipi di lenti disponibili e cosa è importante nella scelta?
La scelta dell'obiettivo giusto è fondamentale per le prestazioni di un sistema di visione. Per garantire che l'ottica e il sensore lavorino insieme in modo ottimale, è necessario prendere in considerazione diversi fattori tecnici, in particolare le dimensioni del sensore, la risoluzione, la lunghezza focale e il valore dell'apertura.
Innanzitutto, una breve panoramica dei più importanti tipi di lenti : In genere si tratta di obiettivi entocentrici o telecentrici, nonché di obiettivi grandangolari e fish-eye. Esistono anche lenti speciali per il vicino infrarosso.
Di seguito ci concentreremo sulle lenti entocentriche, utilizzate nella maggior parte delle applicazioni di visione artificiale. Esse creano un'immagine prospettica , simile a quella dell'occhio umano: gli oggetti lontani appaiono più piccoli, quelli vicini più grandi. L'occhio umano è esso stesso un esempio di ottica entocentrica.
I seguenti fattori tecnici sono determinanti per la scelta di un obiettivo adatto:
Dimensioni del sensore e diametro del cerchio dell'immagine
Risoluzione e dimensione dei pixel
Distanza focale
Apertura del diaframma e condizioni di illuminazione
1. Dimensioni del sensore e cerchio dell'immagine
Le dimensioni del sensore sono un fattore chiave nella scelta dell'obiettivo. Le telecamere matriciali e a scansione di linea ad alta risoluzione hanno generalmente sensori più grandi rispetto alle telecamere con una risoluzione inferiore. Le dimensioni non sono standardizzate, ma derivano dalla risoluzione e dalla dimensione dei pixel: in teoria è possibile ottenere quasi tutte le dimensioni, a seconda del budget a disposizione. Le dimensioni dei sensori sono indicate in pollici. Tuttavia, 1 pollice non corrisponde a 25,4 mm, ma a circa 16 mm - un valore storicamente determinato, standard del settore.
1.1 Mount
The lens is attached to a camera connection that corresponds to a standard size and is referred to as a mount.
A C-mount, which is the most widely available type of mount for machine vision cameras, is appropriate for a sensor diagonal of approx. 20 mm – corresponding to 1.5 inches. For larger sensors, a F-mount or F-bayonet is generally used, though this type is seldom used in industrial applications. For these applications, CS- and S-mounts, which are suitable for cameras with smaller sensors, are more commonly used. S-mount lenses are used for a sensor size of 1/2″, 1/3″, or smaller. To mount a C-mount lens on a CS-mount camera, a 5 mm adapter ring is necessary. This procedure will not work the other way around: a CS-mount lens cannot be mounted on a C-mount camera.
1.2 Diametro del cerchio dell'immagine
L'attacco di un obiettivo o le dimensioni dell'attacco consentono di trarre solo conclusioni limitate sul cerchio dell'immagine, ovvero l'area del sensore esposta in modo uniforme e senza ombreggiature ai bordi (vignettatura).
Come le dimensioni del sensore, anche il diametro del cerchio dell'immagine è specificato in pollici. Un obiettivo con attacco C da 1/3″ è ideale per una telecamera con sensore da 1/3″ - il cerchio dell'immagine viene utilizzato in modo ottimale. Con un sensore più grande (ad esempio, 1/2″), lo stesso obiettivo provocherebbe una vignettatura.
Se invece si utilizza un obiettivo da 2/3″ su un sensore più piccolo da 1/3″, non c'è vignettatura e la nitidezza dell'immagine rimane elevata fino ai bordi, ma gran parte del cerchio dell'immagine rimane inutilizzata. Questo è inefficiente, poiché gli obiettivi più grandi sono più costosi. Un obiettivo più piccolo è quindi solitamente più conveniente per i sensori più piccoli.
2. Risoluzione e dimensione dei pixel
Un sistema di visione ad alta risoluzione non richiede solo un sensore con molti megapixel, ma anche un obiettivo in grado di riprodurre questa risoluzione. La risoluzione di un obiettivo determina la visibilità o la perdita dei dettagli più fini. Nelle sezioni che seguono si spiegherà perché la risoluzione e la dimensione dei pixel devono essere considerate insieme e come si possono valutare le prestazioni di un obiettivo.
Risoluzione e coppie di linee per millimetro
La risoluzione di un obiettivo è specificata in coppie di linee per millimetro (lp/mm). Questo valore descrive quante linee sottili possono ancora essere chiaramente separate l'una dall'altra su un millimetro. Più alto è questo valore, più nitidi sono i dettagli rappresentati. Solo se la risoluzione dell'obiettivo è sufficientemente alta, un sensore può sfruttare tutto il suo potenziale.
Curve MTF: Nitidezza dal centro ai bordi
La curva MTF (modulation transfer function) può essere utilizzata per visualizzare la risoluzione di un obiettivo sull'intero campo dell'immagine, dal centro dell'immagine ai bordi. La curva si basa su un grafico di prova con linee bianche e nere la cui distanza diventa sempre più piccola. I produttori spesso forniscono le curve MTF su richiesta o nelle schede tecniche e aiutano a valutare oggettivamente le prestazioni effettive di un obiettivo.
Dimensione del pixel e selezione dell'obiettivo nella pratica
La risoluzione dell'obiettivo deve corrispondere alla dimensione dei pixel del sensore: solo così ogni pixel sarà a fuoco. Con un sensore da 5 megapixel, ad esempio, è necessario un obiettivo in grado di risolvere questi 5 MP. Alcuni obiettivi indicano la risoluzione del sensore supportata direttamente in megapixel - questo semplifica il processo di selezione, ma non sostituisce le prove effettuate con dati tecnici come lp/mm o curve MTF.
Nota a margine: Megapixel
Molti produttori di telecamere o smartphone pubblicizzano il numero particolarmente elevato di megapixel dei loro dispositivi. Questo suggerisce al consumatore che un maggior numero di megapixel significa una maggiore risoluzione e produce l'immagine migliore. Ma l'elevato numero di megapixel non è di fatto utile se l'obiettivo non è adatto. Gli obiettivi di buona qualità sono costosi, quindi molti produttori cercano di risparmiare sui costi. Ad esempio, uno smartphone con una risoluzione di 20 MP produce già un'immagine sfocata; un sensore con un numero di pixel così elevato non farà altro che aumentare la sfocatura.'
Tuttavia, una telecamera compatta con una risoluzione di 5 MP e un obiettivo di alta qualità produrrà immagini notevolmente più nitide, nonostante la risoluzione apparentemente inferiore.
Per la visione industriale vengono generalmente offerti sensori con risoluzioni comprese tra VGA (0,3 MP) e 5 MP. Risoluzioni più elevate non avrebbero molto senso, almeno per le telecamere con montaggio a C, perché il singolo pixel è troppo piccolo e il rumore sarebbe troppo elevato per eseguire compiti di misura e ispezione impegnativi.
3. Interazione tra lunghezza focale e dimensioni del sensore &
La distanza tra il centro ottico dell'obiettivo e il punto focale viene definita lunghezza focale. Tutti i raggi della luce incidente parallelamente si intersecano nel punto focale. La lunghezza focale f dell'obiettivo dipende quindi dal potere di rifrazione delle lenti ed è espressa in millimetri.
Lunghezza focale ed effetto dell'immagine
Maggiore è la lunghezza focale, maggiori sono le caratteristiche del teleobiettivo. Gli obiettivi giganti che possiamo riconoscere dai fotografi sportivi e dai paparazzi hanno chiaramente una lunghezza focale maggiore rispetto agli obiettivi delle telecamere consumer. Gli obiettivi grandangolari e fish-eye hanno invece lunghezze focali inferiori.
La lunghezza focale è determinata dalla larghezza del sensore, dalla larghezza dell'oggetto e dalla distanza operativa. La maggior parte dei fornitori di obiettivi offre strumenti di calcolo sui loro siti web con i quali è possibile calcolare la lunghezza focale
.
Immagini di esempio per varie lunghezze focali
Il confronto delle immagini mostra come la sezione dell'immagine diminuisca e l'effetto zoom aumenti con l'aumentare della lunghezza focale, un aspetto cruciale per la scelta dell'obiettivo giusto.
4. Condizioni di illuminazione del diaframma &
La scelta dell'apertura della telecamera ha un impatto diretto sulla qualità dell'immagine e sulla luminosità. Il numero F (o F-stop) è il rapporto tra la lunghezza focale e il diametro del diaframma e indica l'apertura del diaframma.
Numero F e qualità dell'immagine
Un numero F elevato significa un'apertura più piccola: meno luce cade sul sensore. Un'apertura ampia è vantaggiosa in condizioni di scarsa illuminazione, poiché lascia passare più luce.
Le aperture più piccole aumentano la profondità di campo e riducono le aberrazioni come la vignettatura, ma possono portare a sfocature da diffrazione. Questo fenomeno è causato dalla diffrazione della luce ai bordi dell'apertura e riduce la qualità dell'immagine.
Ogni obiettivo ha quindi un numero F ottimale, come compromesso tra massima profondità di campo e minima diffrazione.
Conclusione: Selezionare l'apertura in modo che corrisponda alla situazione di illuminazione dell'applicazione, né troppo ampia né troppo ridotta.
Lista di controllo per la selezione delle lenti
Prima di scegliere un obiettivo, controllate i seguenti punti:
Innesto dell'obiettivo: L'innesto dell'obiettivo (ad esempio, innesto C) è compatibile con la vostra telecamera?
Risoluzione: La risoluzione dell'obiettivo corrisponde a quella del sensore in modo che tutti i dettagli siano a fuoco?
Lunghezza focale: La lunghezza focale corrisponde alle dimensioni del sensore e alla sezione d'immagine desiderata della vostra applicazione?
Cerchio dell'immagine: Il diametro del cerchio dell'immagine copre l'intero sensore, senza vignettatura?
Apertura: L'intensità della luce (apertura) è sufficiente per la luminosità dell'ambiente?
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