Wybór kamery do systemu wizyjnego to tylko połowa sukcesu. Bez odpowiedniego obiektywu, nawet najbardziej wyrafinowany sensor staje się bezużyteczny. Mimo to dobór optyki jest często traktowany jako poboczna kwestia. To błąd, który może sparaliżować wydajność systemu lub wymusić kosztowne przeprojektowanie.

W poprzednim wpisie zdefiniowaliśmy jak wybrać kamerę do systemu wizyjnego. Teraz potrzebujemy skompletować zestaw odpowiednim obiektywem. We wcześniejszym artykule omówiliśmy również, na jakie parametry optyki warto zwracać uwagę. Dzisiaj zagłębimy się w każdy z tych parametrów i wyjaśnimy, jak ich wartości wpływają na otrzymywany obraz z kamery.

‍

Kompatybilność kamera-obiektyw: fundamenty systemu

Zanim przejdziemy do parametrów optycznych, ustalmy podstawowe wymagania. Twój obiektyw musi być fizycznie i technicznie kompatybilny z kamerą w trzech kluczowych wymiarach:

‍

Dopasowanie wielkości matrycy

Wybrana optyka musi być przystosowana przynajmniej do takiej wielkości sensora, jaką ma Twoja kamera. W przeciwnym razie światło przechodzące przez obiektyw będzie niedostatecznie oświetlać matrycę, potencjalnie tworząc ciemne rogi lub winietowanie na wynikowym obrazie.

Zasada jest prosta: jeśli kamera ma sensor o wielkości 1", możesz dobrać obiektyw przystosowany do większego sensora 1.2", ale nigdy na odwrót. Wybranie optyki dla mniejszego sensora niż posiadasz gwarantuje problemy.

‍

Typ mocowania

Producenci kamer oferują różne serie z różnymi mocowaniami obiektywów. Najczęściej spotykanymi w zastosowaniach przemysłowych są C-mount i S-mount. To czysto mechaniczna kompatybilność, ale jest absolutna. Nie ma obejścia, jeśli wybierzesz niewłaściwy typ mocowania. Zweryfikuj tę specyfikację przed zamówieniem.

‍

Wsparcie rozdzielczości

Kamery z dużymi sensorami generują obrazy o wysokiej rozdzielczości. Niektórzy producenci optyki określają maksymalną rozdzielczość, do której ich obiektywy są zaprojektowane. To ma znaczenie, ponieważ obiektyw zoptymalizowany pod 2MP nie zapewni ostrości wymaganej przez sensor 12MP. Gdy specyfikacje rozdzielczości są dostępne, zwróć na nie uwagę, definiują one górną granicę detali, które Twój system może uchwycić.

‍

Ogniskowa: odległość i zniekształcenia

Ogniskowa jest potocznie nazywana "zoomem", ponieważ bezpośrednio określa odległość roboczą wymaganą do umieszczenia obserwowanego obiektu w polu widzenia kamery (ang. field of view, FOV). Zdjęcie 1 doskonale wizualizuje tę zależność: fotografie zostały wykonane z tej samej pozycji, zmieniana była tylko ogniskowa obiektywu.

‍

‍

W przemysłowych systemach kontroli jakości ogniskowa ma znaczenie z dwóch kluczowych względów:

‍

Odległość robocza od inspekcjonowanego produktu

To jest fundamentalne. Na liniach produkcyjnych przestrzeń jest na wagę złota. Rzadko masz luksus pozycjonowania kamery daleko od produktu. Co więcej, wymagana odległość często definiuje finalną wielkość maszyny inspekcyjnej - jeśli musisz zamknąć system wizyjny w obudowie, dłuższa odległość robocza oznacza większą, droższą konstrukcję.

Dlatego w takich zastosowaniach punktami wyjściowymi są ogniskowe 12mm i 16mm. W przypadku mniejszych produktów możesz zwiększyć tę wartość, ale pamiętaj o konsekwencjach przestrzennych.

‍

Zniekształcenia optyczne

Niestety, zmniejszanie ogniskowej ma swoje konsekwencje. Im krótsza ogniskowa, tym większe zniekształcenia optyczne pojawiają się na wynikowym obrazie. Tworzy się tak zwane "rybie oko". Tak, można to skorygować programowo poprzez algorytmy prostowania obrazu (ang. image undistortion), ale jest to kosztowne obliczeniowo i podatne na błędy.

Kluczowa uwaga: niektórzy producenci optyki dostarczają charakterystyki zniekształceń dla swoich obiektywów. Gdy te dane są dostępne, są bezcenne dla projektowania systemu. Możesz z wyprzedzeniem ocenić, czy zniekształcenia są akceptowalne dla Twoich tolerancji pomiarowych, czy wymagają korekcji w pipeline'ie przetwarzania.

‍

Przysłona (F-stop): światło, szybkość i głębia

Ustawienie przysłony definiuje, ile światła przechodzi przez obiektyw i dociera do sensora kamery. Bardziej otwarta przysłona (niższa liczba F) przepuszcza więcej światła; zamknięta przysłona (wyższa liczba F) je ogranicza. Obiektywy z niskimi liczbami F (szeroko otwartą przysłoną) są potocznie nazywane "szybkimi", ponieważ pozwalają na szybsze naświetlenie sensora, umożliwiając szybsze przechwytywanie obrazu.

Ale przysłona kontroluje coś więcej niż tylko światło i szybkość ekspozycji. Fundamentalnie wpływa na głębię ostrości - zakres odległości przed kamerą, który pozostaje ostro zogniskowany, a nie rozmyty.

Zdjęcie 2 idealnie ilustruje tę zależność: najbardziej otwarty obiektyw (niska liczba F) ma najmniejszą głębię ostrości, podczas gdy najbardziej zamknięta przysłona (wysoka liczba F) osiąga największą głębię.

‍

‍

‍

W kontekście systemów wizyjnych ma to krytyczne implikacje. Jeśli Twój produkt jest zawsze pozycjonowany w stałej, znanej odległości od obiektywu, decyzja jest prosta: otwórz przysłonę maksymalnie, ustaw ostrość na tę konkretną odległość i gotowe. Dodatkową zaletą szeroko otwartej przysłony jest szybka ekspozycja sensora, pozwalająca zminimalizować czas naświetlania - co często zwiększa osiągalne FPS kamery.

Jednak jeśli produkt może być pozycjonowany w różnych odległościach od obiektywu, sprawy się komplikują. Mamy wtedy do czynienia ze zmiennym zakresem pracy systemu wizyjnego, a głębia ostrości staje się krytyczna. Aby zwiększyć głębię ostrości, musisz przymknąć przysłonę, co zmniejsza ilość światła docierającego do sensora w tym samym czasie.

Możesz to skompensować na dwa sposoby: zwiększając czas ekspozycji lub zwiększając moc oświetlenia. Jest też trzecia opcja - obiektywy z programowalną regulacją ostrości, ale są one kilkukrotnie droższe niż tradycyjne obiektywy o stałej ostrości. W większości zastosowań przemysłowych są nieopłacalne, chyba że absolutnie konieczne.

‍

Praktyczne implikacje: rzeczywiste kompromisy

Bądźmy szczerzy — w inspekcji przemysłowej każdy z tych parametrów przekłada się na konkretne konsekwencje, a Ty jako inżynier nieustannie balansujesz między ich kompromisami:

• Krótka ogniskowa daje kompaktowy projekt systemu, ale wprowadza zniekształcenia, które mogą wymagać korekcji.
• Szeroka przysłona zapewnia szybką ekspozycję i jasne obrazy, ale poświęca głębię ostrości, czyniąc system wrażliwym na zmiany pozycji produktu.
• Zamknięta przysłona daje odporność dzięki głębi ostrości, ale wymaga mocniejszego oświetlenia lub wolniejszych prędkości przechwytywania.

‍

Podsumowanie

Wybór obiektywu nie polega na znalezieniu "najlepszej" optyki. Chodzi o znalezienie optyki, która rozwiązuje Twój konkretny problem w ramach Twoich konkretnych ograniczeń. Parametry, które omówiliśmy: kompatybilność sensora, ogniskowa i przysłona stanowią fundament tej decyzji.

W praktyce często prototypujemy z wieloma opcjami obiektywów, testując je w rzeczywistych warunkach produkcyjnych z faktycznymi próbkami produktów. Karty katalogowe dają granice; testy empiryczne ujawniają, która kombinacja zapewnia jakość obrazu i odporność systemu wymaganą przez Twoją aplikację.

‍