物镜的技术结构
有哪些类型的物镜？
通常分为偏心物镜和远心物镜：
特性
对于偏心物镜，靠近摄像头的对象看起来更大，远处的对象看起来更小。因此，即使在固定焦距下也能很好地调整图像截图。对象距离越远，图像截面越大，对象越靠近，对象越小。
工作距离可以减小到制造商规定的最小物体距离 (MOD) 。插入间隔环可进一步减小此间距，但这可能会导致视觉图像错误。对于广角物镜而言，这种效果尤其具有挑战性。在此过程中，虽然垂直探测到图像中心的对象，但视角越来越向图像边缘移动。通过关闭光圈并随之增加焦深，可以降低这种效果。
使用偏心物镜的应用
远心物镜
远心物镜主要用于精密测量应用，尤其是在如下地方：物体位置在视野内沿 X 和 Y 方向发生变化，但仍需要无失真的结果。
在这些光学元件中，张角在规定范围内接近零度。 因此，光束几乎平行于光轴，从而避免透视失真。因此，无论对象距离摄像头更近还是更远，整个视野中的成像都保持不变。 远心物镜特别适合精确测量长度、宽度和位置，在这些情况下，稳定的成像比例至关重要。
与偏心物镜不同，远心系统不仅在图像中心对焦，而且在图像边缘垂直对焦对象。
远心物镜的应用领域
偏心物镜和远心物镜之间的直接比较
| 偏心物镜 | 远心物镜 | |
|---|---|---|
| 波束角 | 约 50°C | 接近 0°C（平行） |
| 透视失真 | 是 | 否 |
| 成像比例 | 深度变化时可变 | 恒定 |
| 测量精度 | 受限 | 非常高 |
| 显示侧壁 | 可行（例如带鱼眼） | 不可行 |
| 典型的应用 | 目视检查，一般应用 | 精确的测量技术 |
选择合适的物镜的关键标准
工作距离
对象大小
传感器尺寸
摄像头指定的传感器尺寸直接影响成像大小，对于选择合适的光学元件至关重要。大型传感器通常需要更高品质、更大的物镜，以照亮整个传感器表面并确保高质量的图像。
光学元件与传感器之间的距离
光学元件与传感器的距离由摄像头制造商和使用的连接螺纹确定。在这种情况下，有不同的接触尺寸。此外，可通过使用间隔环和焦距倍增器来调整距离。
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*La distanza di lavoro è la distanza dal bordo anteriore dellottica alla superficie delloggetto da testare.
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其他决策标准
高品质的光学元件必须与摄像头、图像传感器以及各自的用途相匹配。视应用而定，例如测量、颜色测试、红外辐射检测、机器人应用或存在性检查，需要考虑不同的光学质量要求。
在选择物镜时，最重要的调整参数和决策标准是：
传感器和像素大小的分辨率
为获得最佳图像质量，传感器和物镜之间的匹配至关重要。物镜应具有高光学质量，以便在图像传感器上精确地呈现细节。像素大小在此起着核心作用：像素越小，物镜的分辨率和成像性能就必须越高，以充分利用传感器的性能。
现代化的制造技术使得像素结构越来越精细的愈加紧凑的传感器成为可能。这种倾向于更小型传感器和像素的趋势可提高集成密度，并可实现更高效的材料利用。同时，光敏度和噪声抑制的进步可提高图像质量，即使像素较小也如此。
基本上，以下情况适用：像素更大的大型传感器通常提供更高的光输出和更好的图像质量，但需要更多的空间，通常成本更高。
像素大小和物镜分辨率对图像质量的影响
相关图表显示摄像头传感器的像素大小与所用物镜的光学分辨率之间的关系。在这两个示例中，传感器大小保持恒定，而像素大小减小，总分辨率相应增加。
对于分辨率较低（即像素较大）的传感器，不同物镜之间的图像结果通常没有明显差异。但是，随着像素大小的减小，对物镜成像性能的要求也随之增加。在这种情况下，物镜的光学质量可显著提高图像清晰度和细节真实度。
如果传感器分辨率超过物镜的光学性能，则会明显影响图像质量。相反，如果像素密度在物镜可传输的极限频率范围内，则可以高效利用传感器。
因此，摄像头系统的整体图像质量不仅由传感器决定，而是由所有光学和电子组件的相互作用决定。因此，协调的系统设计对于在具有挑战性的图像处理应用中可靠地捕捉精细结构至关重要。
像圈直径
Gli obiettivi con lo stesso standard di connessione, come ad es. C mount, possono differire nel diametro del cerchio dell’immagine. Il cerchio dell’immagine è l’area che un obiettivo illumina in modo uniforme, senza ombreggiature marginali significative o cadute di luminosità.
Per un’illuminazione completa e omogenea della superficie del sensore, il diametro del cerchio dell’immagine dell’obiettivo deve corrispondere almeno alle dimensioni del sensore.
Possono essere utilizzati anche obiettivi con diametro del cerchio dell’immagine più grande. Modificano l’angolo dell’immagine e in genere comportano dimensioni più grandi e costi più elevati, senza migliorare la qualità dell’immagine mantenendo le stesse dimensioni del sensore.
Regolazione del diaframma
Il diaframma è l’apertura variabile nell’obiettivo attraverso la quale la luce raggiunge il sensore. Le sue dimensioni sono controllate da una disposizione di lamelle sovrapposte e corrispondono funzionalmente alla pupilla dell’occhio umano. Un diaframma più piccolo (numero di diaframmi più elevato) riduce la quantità di luce, prolunga il tempo di illuminazione e aumenta la profondità di campo. Un diaframma più ampio (numero di diaframmi più basso) lascia entrare più luce, consente tempi di illuminazione più brevi, ma riduce la profondità di campo.
Il diaframma influisce direttamente:
il tempo di illuminazione della camera
la profondità di campo nell’immagine
Profondità di campo
La profondità di campo definisce l’area lungo l’asse ottico in cui gli oggetti nell’immagine vengono rappresentati in modo sufficientemente nitido. Dipende dall’apertura, dalla distanza focale e dalla scala dell’immagine. Per le attività di verifica e misurazione è fondamentale che tutte le caratteristiche rilevanti rientrino in questo intervallo. Nei sistemi di telecamere fisse, la profondità di campo viene controllata principalmente tramite l’apertura dell’iris: Un diaframma più piccolo (numero di diaframmi più elevato) aumenta la profondità di campo, ma riduce la quantità di luce e richiede tempi di illuminazione più lunghi. Un’immagine è considerata nitida finché la sfocatura rimane inferiore alle dimensioni dei pixel del sensore.
Distanza minima oggetto (MOD)
La MOD è la distanza minima tra la lente anteriore di un obiettivo e l’oggetto che consente una messa a fuoco nitida. È determinata dalla struttura ottica, dalla distanza focale e dalla meccanica dell’obiettivo.
Gli obiettivi grandangolari hanno generalmente una MOD inferiore. La riduzione è possibile anche abbagliando o utilizzando anelli distanziatori che aumentano la distanza dell’oggetto dal sensore e riducono così il limite di regolazione ravvicinato.
Anelli distanziatori
Gli anelli distanziatori vengono montati tra l’obiettivo e la camera e aumentano la distanza tra il sensore e il gruppo obiettivo (larghezza immagine). In questo modo è possibile ridurre il limite di messa a fuoco dell’obiettivo. L’oggetto può essere avvicinato all’ottica e il campo oggetto visualizzato si riduce. In questo modo è possibile acquisire con nitidezza anche sezioni di immagine molto piccole, ad es. nell’intervallo di 9 mm × 6 mm, con obiettivi standard. Gli anelli distanziatori offrono quindi una possibilità efficiente per le immagini da vicino e possono rappresentare un’alternativa ai macro obiettivi.
Vignettatura
Per vignettatura si intende l’oscuramento dei bordi di un’immagine che può falsificare i risultati di misurazione e rendere difficile il riconoscimento dell’oggetto, in particolare con algoritmi basati su immagini binarie.
Per ridurre questo effetto, è consigliabile utilizzare un’apertura del diaframma piccola o un’illuminazione potente e uniforme. In questo modo si riducono al minimo i raggi laterali piatti che solitamente causano l’oscuramento.
