La struttura tecnica di un obiettivo
Quali tipi di obiettivi esistono?
In generale, si distingue tra obiettivi decentrati e telecentrici:
Obiettivi decentrati
Gli obiettivi decentrati sono tra i tipi di obiettivi più utilizzati nell’elaborazione di immagine industriale. Sia le distanze focali fisse che gli obiettivi zoom si basano su questo principio ottico, simile alla percezione naturale dell’occhio umano.
Con un obiettivo normale decentrato, l’angolo di apertura rimane costante, indipendentemente dal fatto che sia rivolto verso l’oggetto o il sensore. Al contrario, l’angolo di apertura può variare con gli obiettivi zoom decentrati. Gli obiettivi normali sono quelli con un angolo di apertura di circa 50 gradi pari a quello dell’occhio umano.
Proprietà
Con gli obiettivi decentrati, gli oggetti più vicini alla camera appaiono più grandi, mentre quelli più lontani appaiono più piccoli. In questo modo è possibile adattare bene la sezione dell’immagine anche con distanze focali fisse. Più l’oggetto è distante, più la sezione dell’immagine diventa grande, più l’oggetto è vicino, più si riduce.
La distanza di lavoro può essere ridotta fino alla distanza minima dell’oggetto (MOD) specificata dal produttore. L’inserimento di anelli distanziatori consente di ridurre ulteriormente questa distanza, ma può causare errori ottici nell’immagine. Questo effetto rappresenta una sfida, in particolare per gli obiettivi grandangolari. L’oggetto al centro dell’immagine viene rilevato verticalmente, ma l’angolo visivo si sposta sempre più verso i bordi dell’immagine. Questo effetto può essere ridotto chiudendo il diaframma e aumentando la profondità di campo.
Applicazioni con obiettivi decentrati
Obiettivi telecentrici
Gli obiettivi telecentrici sono utilizzati principalmente in applicazioni di misura di precisione, in particolare dove la posizione dell’oggetto all’interno del campo visivo cambia in direzione X e Y e sono necessari risultati privi di distorsioni.
Con queste ottiche, l’angolo di apertura è di quasi zero gradi in un intervallo definito. In questo modo i raggi di luce sono quasi paralleli all’asse ottico, evitando distorsioni prospettiche. In questo modo, l’immagine rimane costante sull’intero campo visivo, indipendentemente dal fatto che l’oggetto sia più vicino o più lontano dalla camera. Gli obiettivi telecentrici sono particolarmente adatti per misure precise di lunghezza, larghezza e posizione in cui è fondamentale una scala di immagine costante.
A differenza degli obiettivi decentrati, i sistemi telecentrici non mettono a fuoco solo il centro dell’immagine, ma anche i bordi dell’immagine perpendicolarmente all’oggetto.
Applicazioni degli obiettivi telecentrici
Le ottiche telecentriche vengono utilizzate in particolare per operazioni di misura o verifica:
Confronto di strutture su diversi livelli di oggetti
Ad esempio, quando si misurano fori sulla parte superiore e inferiore di un pezzo, l’ottica telecentrica garantisce una scala di rappresentazione uniforme e consente misure di confronto affidabili.Distanze variabili tra gli oggetti in caso di alimentazione imprecisa
Se la distanza tra l’obiettivo e l’oggetto non è esattamente riproducibile, ad esempio a causa di tolleranze nell’avanzamento o nel posizionamento, l’immagine con un’ottica telecentrica rimane comunque in scala.Verifica e misura di fori e profili interni
Con un’ottica telecentrica è possibile rappresentare fori o incavi senza distorsione prospettica e senza visione delle pareti inclinate. I contorni rimangono precisi, il che è particolarmente importante per misure di posizione precise, controlli del diametro o controlli di qualità.
Per un’illuminazione ottimale di tali applicazioni si consiglia l’impiego di illuminazioni di superficie, che garantiscono un’illuminazione omogenea e priva di ombre.
Confronto diretto tra obiettivi decentrati e telecentrici
| Obiettivo decentrato | Obiettivo telecentrico | |
|---|---|---|
| Angolo ottico | Circa 50 °C | Quasi 0 °C (parallelo) |
| Distorsione prospettica | Sì | No |
| Scala immagine | Variabile con variazione di profondità | Costante |
| Precisione di misurazione | Limitata | Molto elevata |
| Rappresentazione delle superfici laterali | Possibile (ad es. con fisheye) | Non ammesso |
| Applicazione tipica | Ispezione visiva, applicazioni generali | Tecnica di misurazione precisa |
I criteri fondamentali per scegliere l’obiettivo giusto
Distanza di lavoro
Dimensioni oggetto
Dimensioni sensore
La dimensione del sensore indicata dalla camera influisce direttamente sulle dimensioni dell’immagine ed è determinante per la scelta dell’ottica appropriata. I sensori più grandi richiedono generalmente obiettivi più grandi e di qualità superiore per illuminare l’intera superficie del sensore e garantire un’elevata qualità dell’immagine.
Distanza dell’ottica dal sensore
La distanza dell’ottica dal sensore è definita dal produttore della camera e dalla filettatura di collegamento utilizzata. Esistono diverse misure di appoggio. Inoltre, la distanza può essere adattata utilizzando anelli distanziatori e amplificatori della lunghezza focale.
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*La distanza di lavoro è la distanza dal bordo anteriore dellottica alla superficie delloggetto da testare.
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Altri criteri decisionali
Un’ottica di alta qualità deve essere adattata alla camera, al suo sensore di immagine e al rispettivo scopo d’uso. A seconda dell’applicazione, come ad esempio misurazioni, test del colore, ispezioni a raggi infrarossi, applicazioni robotiche o controlli di presenza, è necessario considerare diversi requisiti di qualità ottica.
I principali parametri di impostazione e criteri decisionali per la scelta di un obiettivo sono:
Risoluzione del sensore e dimensioni dei pixel
Per una qualità ottimale dell’immagine, è fondamentale che il sensore e l’obiettivo siano allineati. L’obiettivo deve avere un’elevata qualità ottica per riprodurre dettagli precisi sul sensore di immagine. La dimensione dei pixel gioca un ruolo centrale: Più piccoli sono i pixel, maggiore deve essere la risoluzione e la potenza di immagine dell’obiettivo per sfruttare appieno le prestazioni del sensore.
Le moderne tecnologie di produzione consentono sensori sempre più compatti con strutture di pixel più sottili. Questa tendenza verso sensori e pixel più piccoli aumenta la densità di integrazione e consente un utilizzo più efficiente dei materiali. Allo stesso tempo, i progressi nella sensibilità alla luce e nella soppressione del rumore migliorano la qualità dell’immagine anche con pixel piccoli.
In linea di massima vale quanto segue: I sensori più grandi con pixel più grandi spesso forniscono una maggiore resa luminosa e una migliore qualità dell’immagine, ma richiedono più spazio e sono generalmente associati a costi più elevati.
Influenza delle dimensioni dei pixel e della risoluzione dell’obiettivo sulla qualità dell’immagine
Il relativo grafico mostra la relazione tra le dimensioni dei pixel di un sensore della telecamera e la risoluzione ottica dell’obiettivo utilizzato. In entrambi gli esempi, la dimensione del sensore rimane costante, mentre la dimensione dei pixel diminuisce e la risoluzione complessiva aumenta di conseguenza.
Con i sensori a bassa risoluzione, ossia con pixel più grandi, di solito non si riscontrano differenze significative nel risultato dell’immagine tra diversi obiettivi. Tuttavia, man mano che le dimensioni dei pixel diminuiscono, aumentano i requisiti di prestazione dell’obiettivo. In questo caso, la qualità ottica dell’obiettivo può contribuire in modo significativo alla nitidezza dell’immagine e alla fedeltà dei dettagli.
Se la risoluzione del sensore supera le prestazioni ottiche dell’obiettivo, la qualità dell’immagine può essere visibilmente compromessa. Se invece la densità di pixel rientra nella frequenza limite trasmissibile dall’obiettivo, è possibile utilizzare il sensore in modo efficiente.
La qualità complessiva dell’immagine di un sistema di telecamere non è quindi determinata solo dal sensore, ma dall’interazione di tutti i componenti ottici ed elettronici. Un design del sistema coordinato è quindi fondamentale per l’acquisizione affidabile di strutture sottili in applicazioni di elaborazione di immagine complesse.
Diametro del cerchio dell’immagine
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.
