Introducere: Fișa cu specificații ale obiectivului nu este doar un tabel de numere

Când inginerii selectează un obiectiv pentru cameră, primul pas este de obicei simplu:

Deschideți fișa de specificații.

Apoi vine partea dificilă.

O fișă de date tipică a lentilei poate include:

• EFL
• Numărul F
• FOV
• MTF
• Deformare
• CRA
• TTL
• Format senzor
• Iluminare relativă

Pentru inginerii optici cu experiență, aceste numere spun o poveste.

Pentru începători, pot arăta ca o limbă străină.

Provocarea este să nu găsești un obiectiv cu „cele mai bune” specificații.

Provocarea este înțelegerea:

Ce parametri optici contează de fapt pentru aplicația dvs.?

O cameră de supraveghere, un robot autonom, o dronă, un dispozitiv medical și un sistem de viziune industrială folosesc toate lentile, dar necesită caracteristici optice complet diferite.

Acest ghid explică specificațiile esențiale ale obiectivelor camerei pe care inginerii trebuie să le înțeleagă înainte de a face o selecție.

1. Distanța focală (EFL): Fundamentul perspectivei obiectivului

Ce este distanța focală?

Distanța focală efectivă (EFL) este una dintre cele mai importante specificații ale obiectivului unei camere.

Ea determină:

• Mărire
• Unghiul de vizualizare
• Relația de perspectivă între obiecte

Pur şi simplu:

Distanță focală scurtă = vedere mai largă
Distanță focală mare = vedere mai îngustă

Exemple comune

Lentila cu unghi larg

Distanțe focale tipice:

• 1,8 mm
• 2,8 mm
• 3,6 mm

Aplicatii:

• Camere de securitate
• Dispozitive inteligente de acasă
• Robotică
• Monitorizare parcare

Avantaje:

• Arie mare de acoperire
• O mai bună conștientizare a mediului

Limitări:

• Distorsiune mai mare
• Dimensiunea redusă a obiectului la distanță

Teleobiectiv

Distanțe focale tipice:

• 12 mm
• 25 mm
• 50 mm+

Aplicatii:

• Monitorizarea traficului
• Inspecție la distanță lungă
• Măsurare industrială

Avantaje:

• Captează detalii îndepărtate

Limitări:

• Câmp vizual îngust

2. Câmp de vedere (FOV): Cât de mult poate vedea camera?

Câmpul vizual descrie zona vizibilă capturată de o lentilă.

De obicei se exprimă astfel:

• FOV orizontal
• FOV vertical
• FOV diagonală

De ce contează FOV

Alegerea FOV greșită creează probleme costisitoare.

Prea îngust:

• Mai multe puncte moarte
• Sunt necesare mai multe camere
• Cost de instalare mai mare

Prea lat:

• Distorsiuni excesive
• Precizie redusă de recunoaștere

Un proces profesional de selecție a lentilelor ia întotdeauna în considerare:

• Distanța țintă
• Zona de detectare
• Dimensiunea obiectului
• Cerințe de recunoaștere

3. Diafragma (număr F): Capacitatea obiectivului de a capta lumina

Diafragma este una dintre cele mai greșit înțelese specificații.

Numărul F reprezintă raportul dintre:

• Distanța focală a obiectivului
• Diametrul pupilei de intrare

Cu cât numărul F este mai mic:

→ Cu cât diafragma este mai mare
→ Cu cât intră mai multă lumină în obiectiv

Valori comune ale diafragmei

De ce contează deschiderea

Mediile cu lumină scăzută creează provocări:

• Zgomot crescut al senzorului
• Timp de expunere mai lung
• Neclaritate de mișcare

O deschidere mai mare ajută prin furnizarea de mai multe informații optice înainte de amplificarea electronică.

Acesta este motivul pentru care aplicațiile de înaltă performanță se concentrează tot mai mult pe lentilele cu deschidere mare.

4. Compatibilitatea senzorului: obiectivul și senzorul trebuie să funcționeze împreună

O greșeală comună pe care o fac inginerii este să selecteze un obiectiv pe baza distanței focale.

Un obiectiv trebuie să se potrivească și cu formatul senzorului.

Dimensiunile obișnuite ale senzorilor includ:

• 1/4"
• 1/3"
• 1/2,7"
• 1/2"
• 1/1,8"
• 1/1,2"

Ce se întâmplă când nu se potrivesc?

Cercul de imagine a obiectivului este prea mic

Rezultat:

• Colțuri întunecate
• Vignetare
• Pixeli pierduti

Lentile concepute pentru senzori mai mici, utilizate pe senzori mai mari

Rezultat:

• Calitate redusă a imaginii
• Performanță slabă la margine

Potrivirea optică profesională necesită luarea în considerare:

• Diagonala senzorului
• Dimensiunea pixelilor
• Unghiul principal al razei
• Cercul de imagine

5. Distorsiunea: diferența dintre larg și utilizabil

Distorsiunea descrie cât de mult devin curbe liniile drepte într-o imagine.

Cel mai comun tip:

Distorsiune baril

Tipic în:

• Lentile cu unghi larg
• Lentile ochi de pește
  
  

Distorsiunea nu este întotdeauna rea.

De exemplu:

Lentilele pentru drone FPV folosesc adesea în mod intenționat o distorsiune puternică cu unghi larg pentru a crea o viziune captivantă.

Cu toate acestea:

Aplicații precum:

• Sisteme de măsurare
• Recunoașterea plăcuței de înmatriculare
• Viziunea artificială

necesită un control mai bun al distorsiunii.

Cheia nu este eliminarea completă a distorsiunii.

Cheia este controlul distorsiunii în funcție de nevoile aplicației.

6. MTF: Măsurarea performanței optice reale

MTF (Modulation Transfer Function) este una dintre cele mai importante metode de evaluare optică.

Descrie cât de bine transferă un obiectiv contrastul de la un obiect la o imagine.

Pur şi simplu:

MTF mai mare = capacitate mai bună de a reproduce detalii.

De ce contează MTF

Două lentile pot avea:

• Aceeași distanță focală
• Aceeași deschidere
• Același rating de rezoluție

Dar calitate complet diferită a imaginii.

De ce?

Deoarece performanța optică depinde de:

• Calitate sticla
• Structura lentilei
• Tehnologia de acoperire
• Precizie de fabricație

MTF dezvăluie capacitatea optică reală.

7. CRA (Chief Ray Angle): critic pentru senzorii moderni

CRA descrie unghiul razelor de lumină care ajung la senzor.

Senzorii CMOS moderni sunt foarte sensibili la CRA.

Potrivirea incorectă CRA poate cauza:

• Umbrire de culoare
• Luminozitate redusă
• Degradarea imaginii

Acest parametru este deosebit de important pentru:

• Camere auto
• Viziunea artificială
• Senzori de înaltă rezoluție

8. TTL și parametrii mecanici de proiectare

Performanța optică nu este singura considerație.

Inginerii trebuie să ia în considerare și compatibilitatea mecanică.

Parametrii importanți includ:

TTL (lungime totală a piesei)

Distanța optică de la prima suprafață a lentilei la planul imaginii.

Important pentru:

• Design modulul camerei
• Aplicații cu spațiu limitat

Tip de montare

Interfețe comune:

• montura M12
• montura CS
• montura C
• montura F
• Suporturi personalizate

Suportul determină integrarea mecanică.

9. Iluminare relativă: calitatea imaginii pe cadru

Iluminarea relativă descrie consistența luminozității de la centru până la margine.

Iluminarea relativă slabă cauzează:

• Colțuri întunecate
• Luminozitatea neuniformă a imaginii

Acest lucru este deosebit de important pentru:

• Lentile cu unghi larg
• Camere de supraveghere
• Sisteme de viziune AI

Un obiectiv bun ar trebui să mențină o iluminare constantă a imaginii.

10. Cea mai frecventă greșeală: alegerea specificațiilor în loc de soluții

Una dintre cele mai mari greșeli pe care le fac inginerii este să compare lentilele doar după cifre.

De exemplu:

„Lentila A are o rezoluție mai mare, așa că trebuie să fie mai bună.”

Nu neapărat.

O selecție de succes a lentilelor ia în considerare sistemul complet:

• Senzor
• Mediu de iluminat
• Distanta de lucru
• Cerințe AI
• Capacitate de procesare a imaginii

Cel mai bun obiectiv nu este cel cu cele mai înalte specificații.

Este cea optimizată pentru aplicație.

Cum ar trebui inginerii să evalueze un obiectiv de cameră

Înainte de a alege un obiectiv, întrebați:

Întrebări de aplicație

• Ce obiecte trebuie detectate?
• Care este distanța de lucru?
• Ce condiții de iluminare există?
• Sunt importante informațiile despre culoare?
• Este implicată analiza AI?

Întrebări optice

• Este suficient FOV?
• Este deschiderea suficient de mare?
• Se potrivește senzorul?
• Este acceptabilă distorsiunea?
• Este importantă performanța marginii?

Întrebări de sistem

• Dimensiunea este limitata?
• Este necesară stabilitatea temperaturii?
• Este importantă fiabilitatea pe termen lung?

Concluzie: înțelegerea specificațiilor lentilelor creează sisteme de imagistică mai bune

Specificațiile obiectivului camerei nu sunt doar numere tehnice.

Ele reprezintă decizii optice care afectează direct performanța sistemului.

Un obiectiv bine selectat poate îmbunătăți:

• Calitatea imaginii
• Precizie AI
• Fiabilitatea sistemului
• Competitivitatea produselor

Un obiectiv prost selectat poate limita chiar și cea mai avansată cameră și algoritm.

În sistemele moderne de imagistică, inginerii nu aleg pur și simplu o bucată de sticlă.

Ei aleg fundamentul inteligenței vizuale.

Perspectivă finală

Un senzor captează pixeli.

Un algoritm procesează informația.

Dar lentila determină ce informații există în primul rând.

O mai bună înțelegere optică duce la decizii de inginerie mai bune.