Как улучшить глубину резкости промышленных зум-объективов: реальный кейс визуализации

Когда система машинного зрения должна проконтролировать деталь, которая не является идеально плоской, первая жалоба обычно одна и та же: «Центр резкий, а края или фон размытые». Инженеры часто винят разрешение объектива, но реальным ограничением нередко оказывается глубина резко изображаемого пространства (ГРИП) — осевой диапазон в пространстве предметов, который выглядит приемлемо резким при одной настройке фокуса.

В этой статье разбирается реальный кейс заказчика POMEAS. Заказчик начал с одной конфигурации объектива, а затем перешёл к другой в поисках более широкой зоны резкости на небольшой точной детали. Мы объясняем, что именно изменилось, что осталось прежним и как принять аналогичное решение без догадок.

Кейс кратко

• Исходная конфигурация: зум-объектив с дискретными положениями POMEAS PMS-LZ-63100D6 + тубус MINI TV 1X PMS-LZ-62010A + дополнительная линза 0.5X LZ-66105
• Оптимизированная конфигурация: зум-объектив непрерывного зума POMEAS PMS-LZ-650100DS9 6.5X + ТВ-адаптер 0.5X + дополнительная линза 1X
• Тестовый объект: небольшой чип-компонент с четырьмя выводами
• Ключевой результат: итоговый набор изображений показывает заметно более широкую зону резкости (изображение 4 в кейсе)

1. Почему в машинном зрении фон становится размытым?

Размытие на изображении машинного зрения может возникать из трёх разных источников. Если рассматривать их как одну проблему, легко выбрать неверное решение.

1.1. Размытие из-за малой глубины резкости

У любого объектива есть единственная плоскость предмета, которая сфокусирована идеально. При удалении от этой плоскости изображение постепенно теряет резкость. Расстояние между ближней и дальней плоскостями предмета, которые ещё приемлемо резки, и есть глубина резкости. Если перепад высот детали превышает ГРИП, часть областей будет размытой независимо от качества объектива.

1.2. Аберрации объектива или кривизна поля

Объектив может фокусировать центр и край поля на разных расстояниях до предмета. Это кривизна поля, а не ГРИП. Диафрагмирование не устранит её полностью; решение — лучший оптический расчёт, правильная юстировка или согласие на меньшую зону интереса.

1.3. Освещение, экспозиция или блики

Переэкспонированные металлические поверхности, блики или низкий контраст могут «убирать» детали, даже когда они в фокусе. На образцах изображений паяемые выводы яркие и отражающие; при неверном угле или интенсивности освещения края выглядят «выбеленными», а не расфокусированными.

Вывод: прежде чем менять оптику, убедитесь, что размытие действительно связано с фокусом. Быстрый способ — перефокусироваться на размытой области. Если она становится резкой, а ранее резкая область размывается, проблема в ГРИП, а не в разрешении.

2. Как диафрагма влияет на глубину резкости?

В большинстве систем визуализации меньшая апертура (большее диафрагменное число) даёт большую ГРИП, а большая апертура — меньшую. Это объясняется тем, что меньшая апертура уменьшает угол раствора световых лучей от каждой точки предмета, поэтому круг нерезкости при дефокусировке растёт медленнее по обе стороны от фокальной плоскости.

Однако есть два практических ограничения:

• Компенсация экспозиции: меньшая апертура пропускает меньше света. Чтобы сохранить прежнюю яркость изображения, нужно более яркое освещение, более длинная выдержка или большее усиление камеры.
• Дифракция: при очень малых апертурах свет рассеивается на диафрагме, и минимально различимая деталь становится крупнее. Изображение выигрывает в ГРИП, но теряет мелкие детали.

Поэтому для промышленного контроля цель — не «максимально возможное закрытие диафрагмы», а такая апертура, которая даёт достаточную ГРИП при сохранении требуемого разрешения. В семействе зум-объективов POMEAS 6.5X используется ручная или моторизованная диафрагма, что позволяет настраивать апертуру именно под этот компромисс.

3. Как увеличение влияет на глубину резкости?

ГРИП уменьшается с ростом увеличения. Причина геометрическая: при большем увеличении одно и то же физическое расстояние вдоль оптической оси отображается в большее расстояние на матрице, поэтому быстрее выходит из зоны резкости.

Зум-объектив с дискретными положениями POMEAS PMS-LZ-63100D6 6.5X наглядно показывает эту зависимость. Согласно техническому описанию POMEAS, при 0.7X ГРИП составляет около 1,9 мм, а при 4.5X падает до примерно 0,1 мм. Деталь с перепадом высот 0,5 мм может быть полностью в фокусе при 0.7X, но лишь частично в фокусе при 4.5X.

POMEAS PMS-LZ-63100D6: ГРИП в зависимости от оптического увеличения (матрица 2/3", C-mount, рабочее расстояние 87 ± 2 мм)

Оптическое увеличение	Прибл. ГРИП (мм)	Примечания
0.7X	~1,9	Наименьшее увеличение, наибольшие ГРИП и FOV
1.0X	~0,95
2.0X	~0,29
3.0X	~0,16
4.5X	~0,10	Наибольшее увеличение, наименьшая ГРИП

Именно поэтому зум-объектив так полезен: когда нужно видеть большую область, используют малое увеличение и получают большую ГРИП; когда нужно рассмотреть мелкий дефект, увеличивают и мирятся с меньшей ГРИП. Если нужно и то и другое одновременно, приходится добавлять перемещение по оси Z, автофокус или съёмку по нескольким плоскостям.

4. ТВ-адаптер и дополнительная линза: в чём разница?

И в исходной, и в оптимизированной конфигурации есть ТВ-адаптер и дополнительная линза, но их номиналы поменялись местами. Прежде чем объяснять изменение ГРИП, необходимо понимать функцию каждого компонента.

ТВ-адаптер (ТВ-тубус)

ТВ-адаптер устанавливается между задним торцом объектива и матрицей камеры. Его основные задачи:

• Проецировать промежуточное изображение на матрицу камеры на правильном расстоянии изображения.
• Задавать системное увеличение, которое «видит» матрица. ТВ-адаптер 0.5X вдвое уменьшает увеличение со стороны матрицы по сравнению с адаптером 1X.
• Согласовывать выходной зрачок объектива с входным зрачком камеры для равномерной освещённости.

Дополнительная линза

Дополнительная линза устанавливается со стороны предмета корпуса зума. Её основные задачи:

• Изменять рабочее расстояние и увеличение со стороны предмета всей системы.
• Дополнительная линза 0.5X обычно уменьшает увеличение и увеличивает рабочее расстояние; линза 1X сохраняет базовые оптические характеристики корпуса зума.

Сравнение конфигураций

Исходная и оптимизированная конфигурация заказчика

Компонент	Исходная	Оптимизированная	Оптический эффект
Основной объектив	Зум-объектив с дискретными положениями PMS-LZ-63100D6 6.5X	Зум-объектив непрерывного зума POMEAS PMS-LZ-650100DS9 6.5X	Другой корпус зума, возможно, иная числовая апертура и управление диафрагмой
ТВ-адаптер	PMS-LZ-62010A 1X MINI TV	ТВ-адаптер 0.5X	Изменяет увеличение со стороны матрицы / масштаб изображения
Дополнительная линза	LZ-66105 0.5X	1X	Изменяет рабочее расстояние со стороны предмета и базовое системное увеличение

Поскольку основной объектив, ТВ-адаптер и дополнительная линза изменились одновременно, итоговое улучшение ГРИП нельзя приписать какому-то одному изменению. ТВ-адаптер 0.5X не «создаёт» ГРИП; он меняет системное увеличение, а это косвенно влияет на то, какой перепад высот предмета укладывается в ГРИП. Точно так же переход с дополнительной линзы 0.5X на линзу 1X меняет увеличение со стороны предмета и рабочее расстояние. Оценивать нужно систему в целом.

5. Реальное сравнение изображений: до и после оптимизации

Четыре изображения ниже предоставлены заказчиком в ходе проекта. Они показывают один и тот же тип небольшого компонента с четырьмя выводами при разных оптических схемах.

Что можно наблюдать:

• Изображения 1–3 различаются по фокусу и контрасту. Выводы и текстура корпуса имеют разную резкость, что говорит о неодинаковой плоскости фокуса или увеличении.
• На изображении 4 весь компонент — корпус и все четыре вывода — одновременно находятся в приемлемом фокусе. Зона резкости заметно шире.

Чего мы не можем утверждать:

• У нас нет точных значений увеличения, диафрагмы и экспозиции для каждого снимка, поэтому это не контролируемый A/B-тест.
• Улучшение на изображении 4 получено за счёт смены всей оптической конфигурации, а не одной настройки, такой как диафрагма или номинал ТВ-адаптера.

6. Как улучшить глубину резкости без потери качества изображения

Используйте этот порядок действий, когда на детали резкость неравномерна:

1. Измерьте перепад высот предмета. Требуемая ГРИП должна быть не меньше максимального перепада высот детали по полю.
2. Проверьте фактическое поле зрения и размер пикселя камеры. Меньший шаг пикселя делает расфокусировку более заметной, поэтому рабочая ГРИП может оказаться меньше оптической.
3. Проверьте плоскость фокуса. Убедитесь, что фокус настроен на самый важный элемент, а не на произвольную среднюю высоту.
4. Уменьшите увеличение, если это позволяет размер детали. Малое увеличение — самый быстрый способ увеличить ГРИП, но при этом уменьшается масштаб изображения.
5. Умеренно закройте диафрагму. Увеличивайте диафрагменное число, пока не достигнете целевой ГРИП, и остановитесь. Дальнейшее закрытие упирается в дифракцию.
6. Компенсируйте экспозицию освещением. Используйте более яркий коаксиальный, кольцевой или линейный свет, чтобы диафрагма могла оставаться закрытой без повышения усиления камеры.
7. Пересмотрите пару «ТВ-адаптер / дополнительная линза». Меньший номинал ТВ или другая дополнительная линза могут изменить системное увеличение и рабочее расстояние.
8. Если этого недостаточно, измените оптическую стратегию. Рассмотрите телецентрический объектив для постоянного увеличения по глубине, модуль автофокуса по оси Z для сканирования по нескольким высотам или многофокусную композицию.

Важно: добавление света не меняет оптическую ГРИП. Оно лишь позволяет сильнее закрыть диафрагму без шумов. Истинная ГРИП определяется увеличением, апертурой и принятым критерием допустимой нерезкости.

7. Как выбрать подходящий зум-объектив

Для детали, похожей на рассмотренную в этом кейсе, перед выбором объектива соберите следующие параметры:

• Размер матрицы камеры и размер пикселя
• Требуемое поле зрения (FOV)
• Минимальный размер дефекта или элемента
• Ограничение по рабочему расстоянию
• Перепад высот предмета (требуемая ГРИП)
• Требуемая скорость контроля / максимальная выдержка

Для контроля небольших электронных деталей при 6.5X зум-объектив непрерывного зума POMEAS PMS-LZ-650100DS9 6.5X охватывает 0.7X–4.5X при рабочем расстоянии около 87 мм. Для более крупных деталей или большей гибкости по рабочему расстоянию зум-объектив непрерывного зума 12.5X обеспечивает более широкий диапазон увеличений. Для полностью автоматизированных станций моторизованный зум-объектив 6.5X с тонкой фокусировкой позволяет задавать положения зума и фокуса программно.

Если у детали резкие перепады высот и большое поле зрения, телецентрический объектив может оказаться лучшим долгосрочным решением, чем работа зум-объектива на пределе ГРИП.

8. Частые вопросы

Всегда ли меньшая апертура увеличивает глубину резкости?

Да, вплоть до предела дифракции. После определённого диафрагменного числа дифракция размывает мелкие детали, и эффективное разрешение падает. Лучшая апертура — та, что обеспечивает целевую ГРИП, не теряя минимальный элемент, который нужно видеть.

Увеличивает ли ТВ-адаптер 0.5X глубину резкости?

Напрямую — нет. ТВ-адаптер 0.5X уменьшает увеличение со стороны матрицы, из-за чего итоговый масштаб изображения может стать меньше. Если оптика со стороны предмета остаётся прежней, одна и та же физическая ГРИП распределяется на меньшее число пикселей матрицы, поэтому визуально ГРИП может казаться больше. Но сама ГРИП в пространстве предметов не увеличивается; это эффект увеличения.

Почему при большом увеличении глубина резкости уменьшается?

При большем увеличении одно и то же физическое расстояние вдоль оптической оси отображается в большее расстояние на матрице, поэтому быстрее выходит из зоны резкости. Например, у POMEAS PMS-LZ-63100D6 ГРИП падает с примерно 1,9 мм при 0.7X до примерно 0,1 мм при 4.5X.

Может ли зум-объектив контролировать объекты с разной высотой?

Зависит от перепада высот и увеличения. При малом увеличении ГРИП больше, и детали с разной высотой контролировать проще. При большом увеличении в фокусе оказывается лишь тонкий слой; может понадобиться автофокус или перемещение по оси Z.

Улучшает ли более яркое освещение глубину резкости?

Более яркое освещение позволяет использовать меньшую апертуру без увеличения выдержки или усиления. Само освещение оптическую ГРИП не меняет; оно лишь делает возможной ту настройку диафрагмы, которая её меняет.

В чём разница между глубиной резкости и резкостью изображения?

Глубина резкости — это осевой диапазон, приемлемо резкий при одной настройке фокуса. Резкость изображения — это контраст мелких деталей в плоскости фокуса. Объектив может быть резким, но иметь малую ГРИП, или иметь большую ГРИП, но посредственную резкость.

Когда следует использовать автофокус вместо настройки диафрагмы?

Используйте автофокус, когда высота детали меняется от контроля к контролю или в разных точках поля зрения и нельзя допустить потери разрешения от очень малой апертуры. Моторизованная ось Z или микроскоп с автофокусом фиксирует лучшую плоскость фокуса в каждой точке, вместо того чтобы пытаться уложить всё в одну ГРИП.

9. Итог

Глубина резкости в промышленном зум-объективе не определяется одним параметром. Она складывается из увеличения, апертуры, номинала ТВ-адаптера, дополнительной линзы, размера пикселя камеры и принятого критерия допустимой нерезкости. В кейсе заказчика переход от исходной конфигурации к системе непрерывного зума POMEAS PMS-LZ-650100DS9 6.5X с согласованными ТВ 0.5X и дополнительной линзой 1X дал заметно более широкую зону резкости. Улучшение обеспечено всем оптическим трактом, а не одной настройкой.

Прежде чем покупать или менять объектив, измерьте перепад высот детали и требуемый размер элемента, а затем выберите наименьшее увеличение и апертуру, которые ещё обеспечивают разрешение цели. Если геометрия слишком сложна, дополните зум-объектив автофокусом, перемещением по оси Z или телецентрической схемой.

Материалы по теме: Parts With Different Heights: Depth of Field FAQ (EN), Руководство по выбору зум-объектива 6.5X, Зум-объектив или объектив с фиксированным фокусным расстоянием.