Руководство по конфигурации зум-объектива для машинного зрения

Четыре способа подойти к одной и той же конфигурации зум-объектива для машинного зрения — эта страница направляет вас по тому из них, который соответствует числу, уже имеющемуся у вас.

С чего начать: какая из этих четырёх ситуаций ваша?

Запросы по зум-объективам приходят с одним числом: величиной зазора из чертежа оснастки, шириной детали из плана качества или камерой, купленной в прошлом квартале и уже закреплённой на кронштейне. Число, которое называют, редко оказывается тем числом, которое должно определять конфигурацию.

Начинайте с того числа, которое труднее всего сдвинуть, потому что два других обычно удаётся подстроить. Предупреждение перед таблицами: рассчитанное увеличение — не измеренный результат, а опубликованное разрешение — оптический предел, а не обещание относительно вашего освещения.

Как конфигурация зум-объектива связывает увеличение, FOV и рабочее расстояние

Зум-систему описывают три числа, и только два из них свободны. Именно поэтому конфигурирование кажется сложнее, чем выглядит.

На стандартном пути POMEAS — корпус зума, вспомогательный объектив, ТВ-тубус, то есть комбинация, которую POMEAS документирует как цепочку класса A — связь мультипликативная:

эффективное увеличение = базовый зум × коэффициент объектива × коэффициент ТВ-тубуса

Поле зрения затем вытекает из сенсора: HFOV = ширина сенсора ÷ эффективное увеличение, а VFOV использует высоту сенсора. Сенсор 2/3 дюйма имеет размер 8.8 × 6.6 мм; сенсор 1 дюйм — 12.8 × 9.6 мм.

Путь APO добавляет коэффициент реле: эффективное увеличение = коэффициент ТВ × зум × увеличение APO × 0.55. Значение 0.55 — это коэффициент реле, подтверждённый с заказчиками для данной комбинации. Именно поэтому APO-объектив 5X за ТВ-тубусом 1X ведёт себя не как обычный 5X, и поэтому рабочее расстояние на этом пути полностью определяется объективом. Выводы приведены на странице матрицы APO.

Путь 1 — вы знаете своё рабочее расстояние

Корпус 12.5X имеет семь позиций объектива, и каждая из них соответствует определённой величине зазора.

• Шаг 1. Найдите строку, которая проходит через вашу оснастку, не превышая её.
• Шаг 2. Считайте диапазон увеличения, который она оставляет с установленным ТВ-тубусом 1X.
• Шаг 3. Если через оснастку проходят две строки, выбирайте по разрешению и глубине резкости.

Таблица рассчитана по опубликованному диапазону зума 12.5X — 0.58X–7.5X — с ТВ-тубусом 1X на сенсоре 2/3 дюйма (8.8 × 6.6 мм). Рабочее расстояние — опубликованное значение объектива.

Две строки несут основную нагрузку. Строка 155 мм — сбалансированный выбор для большинства ячеек: место для кольцевой подсветки, рабочий диапазон, поле, масштабируемое от 30 мм до 2.3 мм. Строка 297 мм существует там, где что-то мешает — нагрев, движущаяся ось, крупный держатель. Читайте настройку с рабочим расстоянием 155 мм и путь с рабочим расстоянием ~300 мм о компромиссах на каждом уровне.

Путь 2 — вы знаете свой FOV

Обратный расчёт от поля занимает три строки: требуемое эффективное увеличение = ширина сенсора ÷ целевой HFOV; найдите произведение объектива и ТВ, которое его достигает; подтвердите, что комбинация укладывается в круг изображения вашего сенсора.

Именно на второй строке проекты застревают. Ни один голый корпус зума не достигает поля 30 мм на 2/3 дюйма: 6.5X начинается с 0.7X, что даёт 12.6 мм, а 12.5X начинается с 0.58X, что даёт 15.2 мм (рассчитано). Оба дают поле уже детали, поэтому его приходится покупать передней оптикой.

Тогда цель 30 мм покрывают три пути: вспомогательный объектив 0.5X на 155 мм, ТВ-тубус 0.5X на 77.4 мм или корпус 4K на сенсоре 1 дюйм, достигающий 37.6 → 5.1 мм с ТВ-тубусом 0.5X (рассчитано). Они различаются по зазору и по запасу, оставленному для роста.

Сравнение — включая то, что произойдёт, если в следующем квартале деталь будет 60 мм — на странице обратного подбора для поля 30 мм. Что касается арифметики, разбор калькулятора увеличения и FOV показывает каждый шаг, а инструмент калькулятора FOV охватывает обычные размеры сенсоров.

Путь 3 — вам нужно высокое увеличение для микродеталей

Когда требование — небольшой элемент, а не крупная деталь, вопрос меняется с «сколько поля» на «сколько детализации может дать оптический тракт». Это опубликованное число, и его стоит прочитать до того, как будет применён любой множитель.

Точку перехода легко сформулировать. Корпус зума — правильный инструмент, пока деталь остаётся грубее его лучшего опубликованного значения — 3.05 µm для 12.5X от 4.5X и выше, 2.80 µm для 14X. Ниже этого передняя оптика не может создать информацию, которой объектив не несёт.

Два правила сохраняют числа честными. Значения разрешения — оптические пределы, поэтому видимость зависит также от дискретизации, контраста и освещения: объектив 50X не гарантирует, что элемент 0.5 µm будет обнаружен. И глубина резкости резко падает по мере подъёма, с 91 µm при 2X до 0.9 µm при 50X.

Проводите смену класса через матрицу конфигурации APO, и прочитайте почему увеличение — это не разрешение, прежде чем предполагать, что ответ — большее увеличение.

Путь 4 — у вас уже есть камера

Сенсор 2/3 дюйма — расчётная точка для корпусов 6.5X, 12.5X и 14X, все они специфицированы под 2/3 дюйма. Сенсор 1 дюйм принадлежит корпусу 4K 7.5X, специфицированному под 1 дюйм. Сенсор 1 дюйм за корпусом 2/3 дюйма даёт на бумаге более широкое поле, а на практике — тёмные углы.

Вторая проверка — верхняя граница поля: ширина сенсора, делённая на минимальное эффективное увеличение, а не рабочее расстояние. Больший отступ расширяет пространство, но не поле — объектив 0.25X на 297 мм с ТВ-тубусом 1X и объектив 0.5X на 155 мм с ТВ-тубусом 0.5X оба дают 0.145X–1.875X и 60.7 → 4.7 мм (рассчитано).

Проработайте согласование сенсора и круга изображения до того, как будет утверждена конструкция кронштейна, и проверьте страницу 300 мм там, где большой отступ неизбежен.

Сводная таблица корпусов зума: 6.5X против 12.5X против 14X против 4K

Четыре корпуса закрывают почти любой запрос класса A. Все значения ниже — опубликованные спецификации, а не расчёты.

Два прочтения часто бывают ошибочными. Разрешение 12.5X — это 13 µm при 0.58X с улучшением до 3.05 µm от 4.5X, а не 11.18 µm, которые относятся к 6.5X. И «14X» — это кратность зума, а не увеличение 14×. Кроме того, 12.5X удерживает дисторсию TV — дисторсию на стороне изображения, на сенсоре — на уровне 0.001%, что важно, когда вы измеряете, а не ищете.

Для подробно проработанного сравнения корпусов читайте руководство по выбору 6.5X против 12.5X.

Страницы корпусов: 12.5X LZL-12101, 6.5X LZ-650104, 14X с непрерывным зумом, 4K PMS-LZH-7505W.

Вспомогательный объектив или ТВ-тубус: две разные ручки

Оба умножают увеличение, поэтому их и путают. Только один отодвигает объектив от детали.

Если ограничением является зазор, вам нужен объектив. Если поле неверно, а отступ уже подходит, ТВ-тубус меняет увеличение, не переделывая кронштейн. Оба приводят корпус 12.5X примерно к 0.29X–3.75X, но только один из них отодвигает объектив на 155 мм.

Одно предостережение по смешиванию семейств. Таблица WD для семейства 12.5X и общий график для семейств 6.5X и K не взаимозаменяемы: 0.25X — это 297 мм против 240 мм, а 0.5X — 155 мм против 135 мм. Приводите таблицу для своего корпуса. Основа — в статье о том, что такое вспомогательный объектив.

Непрерывная карта конфигураций: от поля 121 мм до субмиллиметра

Строки класса A ниже рассчитаны; строки APO используют коэффициент реле 0.55. Все — 2/3 дюйма, если не указано иное.

Два ограничения при чтении карты. Глубина резкости не публикуется для этих комбинаций и не переносится с базового объектива, поэтому значение корпуса 1.9–0.1 мм нельзя перенести на составную конфигурацию. И рабочее расстояние APO фиксируется объективом: объектив 50X держит вас в 13 мм от детали при любом коэффициенте ТВ.

Чего стоит каждый шаг: DOF, яркость и разрешение

Каждый шаг здесь что-то даёт и за это взимает плату, и именно из-за этой платы две конфигурации с одинаковыми полями ведут себя на линии по-разному.

Яркость — та плата, которую недооценивают. Более высокое эффективное увеличение распределяет тот же свет от объекта по большему изображению, поэтому на единицу площади он тусклее. При низком увеличении обратное проявляется как падение яркости по углам раньше, чем в центре.

У глубины резкости есть ясный ответ и мутный. Ясный: опубликованная DOF относится к корпусу или объективу отдельно. Мутный: никто не публикует DOF для каждой составной комбинации, поэтому конфигурацию, которая важна, следует подтвердить. Читайте о компромиссе между рабочим расстоянием и глубиной резкости.

Ручной, моторизованный или на рельсе: когда выбор важен

Решение по оптике не завершено, пока не выбран привод, потому что привод определяет, можно ли повторить настройку увеличения.

Привод также решает вопрос «фиксированные положения против непрерывного»: корпус с фиксированными положениями даёт повторяемые позиции щелчков, когда операторы меняют увеличение вручную, непрерывный корпус позволяет контроллеру остановиться в любом месте диапазона. Отметьте также, что ручной корпус 6.5X находится на 87 ± 2 мм, а моторизованный — на 82 ± 2 мм: 5 мм, которые важны, когда в конструкции есть фиксированная плита камеры. Подробности — в выборе между ручным и моторизованным зумом и полном руководстве по моторизованному зуму.

Четыре проработанных примера, по одному на путь

Путь 1 — сначала рабочее расстояние. Оснастка оставляет примерно 150 мм зазора, а деталь имеет ширину 40 мм. Одна строка уровня проходит через него, не расходуя отступ зря: объектив 0.5X на 155 мм, что оставляет место для кольцевой подсветки и короткого кронштейна. С ТВ-тубусом 1X эффективное увеличение составляет 0.29X–3.75X (рассчитано), а горизонтальное поле идёт от 30.3 мм до 2.3 мм — что не вмещает деталь 40 мм на широком конце. Переход на ТВ-тубус 0.5X даёт 0.145X–1.875X и 60.7 → 4.7 мм (рассчитано). Те же 155 мм, задача с полем решена, дискретизация со стороны объекта вдвое меньше, и больше ничего в оснастке не двигается.

Путь 2 — сначала поле зрения. Деталь шириной 30 мм, а ячейка тесная, поэтому зазором поле не купить. Три строки арифметики: 8.8 ÷ 30 ≈ 0.29X. Ни один голый корпус этого не достигает, поскольку 12.5X останавливается на 0.58X и поле 15.2 мм, а 6.5X — на 12.6 мм. Два пути дают 0.29X–3.75X и 30.3 → 2.3 мм (рассчитано): объектив 0.5X на 155 мм или ТВ-тубус 0.5X на 77.4 мм вообще без передней оптики. Оба вмещают деталь. Они различаются зазором, дискретизацией со стороны объекта и тем, какой запас хода зума остаётся для следующего изменения.

Путь 3 — сначала увеличение. Требование — детализация тоньше лучшего значения 3.05 µm корпуса 12.5X, поэтому передняя оптика это не исправит и класс придётся менять. Корпус 6.5X с APO-объективом 5X и ТВ-тубусом 1X даёт 1.925X–12.375X (рассчитано), рабочее расстояние 35 мм и горизонтальное поле 4.6 → 0.7 мм. Глубина резкости для самого стека не публикуется, поэтому закладывайте её по объективу и проверяйте перед утверждением. APO 50X за ТВ-тубусом 2X достигает 38.5X–247.5X (рассчитано) на 13 мм при поле 0.23 → 0.04 мм, и собственная глубина резкости объектива становится ограничением рабочего диапазона.

Путь 4 — сначала камера. Камера 2/3 дюйма уже стоит на кронштейне, поэтому корпус 12.5X специфицирован именно под такой сенсор, и поле следует из той передней оптики, которую выбрал путь 1 или путь 2. Камера 1 дюйм уже стоит на кронштейне, поэтому она должна быть за корпусом 4K 7.5X: с ТВ-тубусом 0.5X такая система даёт 0.34X–2.5X и 37.6 → 5.1 мм по горизонтали (рассчитано). Ставить ту же камеру 1 дюйм за корпусом 2/3 дюйма — единственная комбинация, которой следует избегать, потому что углы темнеют раньше, чем поле становится полезным, — и никакой запас хода зума их не вернёт. Верхнюю границу задаёт выбор сенсора, а не выбор объектива.

Вопросы и ответы: о конфигурации, которую инженеры действительно обсуждают

Я знаю только рабочее расстояние. С чего начать?

Используйте таблицу уровней для корпуса 12.5X и выберите объектив, чьё опубликованное рабочее расстояние проходит через вашу оснастку, не расходуя отступ зря: 0.25X даёт 297 мм, 0.5X даёт 155 мм, 0.75X даёт 93 мм, 1X даёт 77.4 мм. Затем считайте диапазон увеличения, который эта строка оставляет с ТВ-тубусом 1X. Эти значения рассчитаны, а не измерены.

Я знаю только требуемое поле зрения. Какой путь подходит?

Путь 2. Разделите ширину сенсора на целевое поле: на 2/3 дюйма 8.8 мм, делённые на поле 30 мм, дают примерно 0.29X. Затем найдите произведение объектива и ТВ, которое его достигает. Ни один голый корпус зума не достигает 30 мм на 2/3 дюйма, потому что 12.5X останавливается на поле 15.2 мм, а 6.5X — на 12.6 мм.

Какое наибольшее увеличение достигает этот путь конфигурации?

На пути класса A корпус 12.5X с объективом 2X и ТВ-тубусом 2X достигает 2.32X–30X, рассчитано, при горизонтальном поле вплоть до 0.3 мм. Путь APO идёт гораздо выше: APO-объектив 50X за ТВ-тубусом 2X даёт 38.5X–247.5X, рассчитано, при поле 0.04 мм на 13 мм.

Как согласовать зум-объектив с камерой, которая у меня уже есть?

Сначала согласуйте круг изображения. Корпуса 6.5X, 12.5X и 14X специфицированы под сенсор 2/3 дюйма, а корпус 4K 7.5X специфицирован под 1 дюйм. Сенсор 1 дюйм за корпусом 2/3 дюйма даст виньетирование по углам. Затем проверьте верхнюю границу поля: ширина сенсора, делённая на минимальное эффективное увеличение, а не рабочее расстояние.

Вспомогательный объектив или ТВ-тубус — что именно меняет каждый?

Оба умножают увеличение и уменьшают поле. Только вспомогательный объектив меняет рабочее расстояние, и он также изменяет NA со стороны объекта и бюджет глубины резкости. ТВ-тубус находится со стороны камеры, поэтому отступ остаётся таким, каким его задал объектив. Если ограничение — зазор, вам нужен объектив.

С какого корпуса начать: 6.5X, 12.5X, 14X или 4K?

Начните с сенсора и поля. Камера 2/3 дюйма, которой нужен диапазон, указывает на корпус 12.5X, который охватывает 0.58X–7.5X и разрешает вплоть до 3.05 µm от 4.5X. Камера 1 дюйм указывает на корпус 4K 7.5X. 14X — это кратность зума 0.55X–7.6X, а не увеличение 14x, а 6.5X подходит для более широких полей.