Как выбрать телецентрический объектив: увеличение, поле зрения, рабочее расстояние и точность

Краткий ответ: телецентрический объектив выбирают четырьмя расчётами, всегда в одном порядке. Сначала увеличение — ширина сенсора, делённая на нужную ширину поля. Затем покрытие: круг изображения объектива должен покрывать диагональ сенсора без виньетирования. Третье — разрешение на объекте, то есть размер пикселя, делённый на увеличение. Четвёртое — глубина резкости, которая должна перекрывать реальный разброс высоты детали. Если сходятся все четыре — объектив подходит; если хотя бы один нет, остальные три его не компенсируют.

Если увеличение уже рассчитано, на каждой ступени перечислены все модели с рабочим расстоянием, разрешением и полем по размерам сенсора:

• 0,2X: 2 модели, поле 44,00 × 33,00 мм
• 0,3X: 2 модели, поле 29,33 × 22,00 мм
• 0,5X: 6 моделей, поле 17,60 × 13,20 мм
• 1,5X: 5 моделей, поле 5,87 × 4,40 мм
• 1,0X: 9 моделей, поле 8,80 × 6,60 мм
• 2,0X: 10 моделей, поле 4,40 × 3,30 мм

Что делает объектив телецентрическим

В обычном объективе лучи, строящие изображение, приходят на сенсор под углом, и этот угол растёт к краю поля. Из-за этого эффективное увеличение зависит от высоты предмета: одна и та же деталь, поднятая на десятые доли миллиметра, проецируется чуть иначе. В телецентрическом объективе со стороны предмета апертурная диафрагма стоит в фокальной плоскости передней группы, поэтому главные лучи выходят параллельно оптической оси. Увеличение перестаёт зависеть от расстояния и от высоты и определяется только отношением фокусных расстояний.

Именно это нужно измерительной системе — и именно это объясняет цену: чтобы лучи выходили параллельно, передняя группа должна быть не меньше поля зрения, а часто в несколько раз больше. Телецентрик 0,5X с полем 44 мм несёт фронтальную линзу диаметром более 44 мм — отсюда габарит и масса.

Четыре расчёта по порядку

1. Увеличение. β = ширина сенсора ÷ ширина поля. Для сенсора 2/3″ (8,8 мм) и поля 20 мм: 8,8 ÷ 20 = 0,44X. Берут ближайшую большую стандартную ступень, никогда меньшую: недостаточное увеличение означает, что часть детали не попадёт в кадр.

2. Покрытие. Объектив должен покрывать диагональ сенсора, а не только ширину. У сенсора 2/3″ диагональ 11 мм; если объектив заявляет круг изображения 11 мм или меньше, углы затемняются и измерение в углах теряет силу. Это самая частая ошибка при установке старого объектива на новую камеру с большим разрешением.

3. Разрешение на объекте. Пиксель 3,45 мкм при 0,44X покрывает 3,45 ÷ 0,44 ≈ 7,8 мкм на детали. Оптическое разрешение объектива, указанное в мкм, должно быть таким же или лучше; иначе сенсор разрешает мельче, чем передаёт оптика, и система теряет точность незаметно для глаза.

4. Глубина резкости против разброса высоты. Заявленная глубина должна покрывать сумму плоскостности детали, повторяемости установки и теплового дрейфа за цикл. У 2,0X в этом семействе заявлено 0,27 мм; если транспортёр даёт ±0,2 мм, запаса не хватает — нужно снижать увеличение или стабилизировать высоту.

Семейство 110 мм от 0,2X до 2,0X

Семь моделей с общим рабочим расстоянием 110 мм (кроме 0,8X — 90,5 мм) и креплением C. Это реальные позиции серий LTCM и LTC: они закрывают диапазон от деталей в десятки миллиметров до элементов меньше 10 мкм, и для перехода достаточно сменить увеличение, не трогая механику поста.

На что смотреть кроме увеличения

Телецентричность. Выражается в градусах и описывает максимальное отклонение главного луча от оси. Значения ниже 0,02° дают ошибку перспективы менее 0,35 мкм на 1 мм разброса высоты. Выше 0,1° ошибка становится сравнимой с допуском, который нужно измерить.

Дисторсия. Типично от 0,01 % до 0,05 %. Она мало важна, если система калибруется по эталонной мере, и очень важна, если деталь сравнивают с жёстким шаблоном без калибровки по полю.

Освещение. Версия со встроенным коаксиальным освещением несёт светоделитель внутри корпуса и позволяет освещать плоские зеркальные поверхности по оси. Оптика общая со стандартной версией: поле и увеличение не меняются, меняются рабочий диаметр и путь света.

Когда телецентрик — не ответ

Если деталь больше 100 мм по стороне, фронтальная линза вырастает настолько, что решение становится экономически неоправданным, и обычно лучше обычный FA-объектив с фиксированным фокусом плюс калибровка по полю. Если высота детали меняется значительно больше доступной глубины резкости, никакой объектив не поможет — нужно стабилизировать высоту или переходить на лазерную триангуляцию. Если же нужно только обнаружить наличие, положение или цвет, обычный FA-объектив справится за долю стоимости.

Частые вопросы

Подойдёт ли телецентрик к любой камере?

Да, если круг изображения покрывает диагональ сенсора и совпадает крепление. Объектив 2/3″ на камере 1″ даёт виньетирование в углах, а объектив 1″ на камере 2/3″ работает корректно, но часть оптики используется впустую.

Увеличение объектива — это увеличение системы?

Нет. Увеличение системы — произведение увеличения объектива и любых промежуточных оптических элементов. В этом семействе указанное увеличение относится к объективу с креплением C без дополнительных звеньев.

Как проверить реальную глубину резкости?

По ступенчатой детали известной высоты и эталонной мере: наводят на нижнюю ступень, поднимают верхнюю шагами по 0,05 мм и отмечают, где кромка перестаёт быть резкой. Рабочая глубина обычно меньше заявленной, рассчитанной для идеальных условий.

Почему телецентрик дороже FA-объектива?

Из-за размера передней группы, сопоставимого с полем, и точности центрирования, необходимой для параллельности лучей. Стоимость растёт с полем и увеличением, а не с креплением.

Нужен ли он, если деталь всегда на одной высоте?

Зависит от допуска. Если деталь хорошо лежит на базе и допуск больше ошибки перспективы FA-объектива — нет. Если кромки измеряются с допуском в несколько микрометров — телецентрик убирает источник ошибки, который иначе пришлось бы калибровать на каждой детали.

Следующий шаг

Быстрее всего закрыть выбор, отправив нужную ширину поля, сенсор камеры и разброс высоты детали. По этим трём данным возвращают увеличение, конкретную модель семейства и доступную глубину резкости — до любого решения о закупке.

Другие материалы серии

• Что такое телецентрический объектив
• Телецентрик против FA-объектива: четыре проверки
• Расчёт увеличения и поля зрения
• Коаксиальное освещение в телецентрике