Зум и увеличение: в чём разница и какой промышленный объектив нужен

Коротко: зум и увеличение — это два разных оптических изменения, и их путаница приводит к покупке не того объектива. Зум означает изменение фокусного расстояния оптической системы, а значит — поля зрения. Увеличение — это отношение размера изображения к размеру объекта; его изменение меняет размер детали на сенсоре. В промышленной автоматизации «изменить фокусное расстояние» чаще всего означает выбрать другой FA-объектив с фиксированным фокусным расстоянием из ряда фокусов, а «изменять увеличение внутри одного объектива» — это ровно то, для чего создан промышленный зум-объектив. В этой статье мы разберём оба термина, свяжем их одной формулой и поможем понять, какой объектив нужен именно вашему проекту.

1. Что такое зум (изменение фокусного расстояния)

Фокусное расстояние — свойство самого объектива: расстояние (в воздухе, при фокусировке на бесконечность) от главной плоскости до фокуса, в миллиметрах. «Зум» — это изменение этого расстояния. Прямое оптическое следствие — изменение поля зрения (FOV):

• Больше фокусное расстояние → уже поле зрения, объект выглядит на сенсоре крупнее.
• Меньше фокусное расстояние → шире поле зрения, в кадр помещается больше сцены.

На практике в машинном зрении «зумить» можно двумя очень разными способами:

• Заменить или выбрать объектив с фиксированным фокусом. FA-объектив имеет одно фокусное расстояние, которое нельзя изменить: 8 мм, 12 мм, 16 мм, 25 мм, 35 мм, 50 мм, 75 мм и т. д. Смена поля зрения — это установка другого объектива. Это самый распространённый подход на производстве: фиксированная оптика проще, у неё низкая дисторсия, предсказуемое качество и низкая стоимость.
• Использовать объектив с переменным фокусным расстоянием (varifocal). Такой объектив меняет фокус, перемещая внутренние группы линз. Проблема: в varifocal-конструкции фокальная плоскость смещается при регулировке, изображение расфокусируется, и после каждого изменения нужна перефокусировка. Для точного контроля этот штраф обычно неприемлем.

Настоящий промышленный зум-объектив избегает этого штрафа благодаря парафокальности: изображение остаётся в фокусе во всём диапазоне регулировки. Именно это требование — парафокальность со стабильной центровкой — отличает серьёзный промышленный зум-объектив от обычного varifocal-тубуса.

У FA-объектива одно фокусное расстояние на модель (здесь 25 мм). Поле зрения меняется выбором другой фокуса.

2. Что такое увеличение (изменение масштаба изображения)

Увеличение — не свойство одной лишь линзы: оно описывает отношение между объектом и его изображением:

увеличение = размер изображения ÷ размер объекта

Для заданного сенсора увеличение и поле зрения — две стороны одной медали. Единственная формула, которую стоит запомнить:

FOV = размер сенсора ÷ увеличение

Зум-объектив меняет увеличение непрерывно внутри одного корпуса, перемещая внутренние группы линз. Например, зум-объектив 6,5X покрывает оптическое увеличение от 0,7X до 4,5X: при 0,7X сенсор 2/3 дюйма видит диагональ поля 15,71 мм, а при 4,5X тот же сенсор видит 2,44 мм — это зум-отношение 6,5:1, и всё это без смены объектива и без перефокусировки, если объектив парафокальный.

Здесь часто путают два термина:

• Зум-отношение (например, 6,5:1, 12,5X) — это отношение максимального увеличения объектива к минимальному, а не утверждение, что объектив даёт «увеличение 6,5X».
• Увеличение (например, 0,7X, 2,0X, 4,5X) — реальное отношение изображения к объекту на данном положении, и именно оно используется для расчёта FOV.

Один объектив, непрерывное увеличение от 0,7X до 4,5X. Поле зрения масштабируется как 1/увеличение и зависит от размера сенсора (официальные данные POMEAS для ручного зум-объектива 6,5X).

3. Зум и увеличение: сравнение

4. Оптический зум и цифровой зум: их тоже не путайте

Третий термин добавляет путаницы. Цифровой зум — вообще не оптика: это программная обрезка и масштабирование изображения с сенсора. Он делает объект крупнее на экране, но не добавляет новых деталей: эффективное разрешение на миллиметр объекта падает с каждым щелчком. Оптический зум / оптическое изменение увеличения выполняется реальными группами линз, поэтому сенсор продолжает сэмплировать объект в полном собственном разрешении.

Сравнивая паспорта объективов, для способности к контролю имеет значение только диапазон оптического увеличения. Если система называет большое «зум»-число, полученное после обрезки, реальное разрешение в плоскости объекта может быть намного хуже, чем обещает цифра.

5. Какой объектив подходит вашему проекту?

Выбирайте FA-объектив с фиксированным фокусом, когда

• Поле зрения зафиксировано и известно на этапе проектирования.
• Вы выпускаете один или несколько продуктов большим тиражом и хотите минимальную стоимость на пост.
• Нужна очень низкая дисторсия или строгий контроль геометрии изображения — фиксированная оптика проще и стабильнее.
• Изредка менять FOV допустимо, ведь это всего лишь установка другого объектива.

В категории FA-объективов видно, как фокусное расстояние, размер сенсора и число пикселей соответствуют конкретным моделям.

Выбирайте промышленный зум-объектив, когда

• Одна камера должна покрывать несколько полей зрения: переналадка между SKU, детали разного размера на одном посте.
• Проект на стадии НИОКР или пилота, и итоговое поле зрения ещё не зафиксировано; зум-объектив избавляет от повторной покупки оптики.
• Нужно дистанционное или автоматическое управление увеличением: моторизованные зум-объективы принимают последовательные команды и вызывают калиброванные положения.
• Контроль требует широкого поиска и затем внимательного осмотра дефекта: отъехать — найти, приблизить — измерить.

Моторизованный зум-объектив (здесь LZ-650104, 0,7X–4,5X) меняет увеличение внутри одного корпуса — без смены объектива, без перефокусировки, с автоматическим вызовом положений.

В категории зум-объективов собраны ручные, с фиксированными упорами, коаксиальные и моторизованные модели с их диапазонами увеличения.

6. Частые ошибки, которых стоит избегать

• Считать «6,5X» увеличением. В зум-объективе 6,5X эта цифра — зум-отношение (4,5X ÷ 0,7X ≈ 6,5). Реальный диапазон увеличения — 0,7X–4,5X, и FOV нужно считать именно по этим значениям.
• Игнорировать размер сенсора. Одно и то же увеличение даёт разные поля зрения на сенсорах 2/3 и 1/3 дюйма. Всегда считайте FOV = размер сенсора ÷ увеличение для вашей камеры.
• Принимать цифровой зум за зум. Обрезанные изображения теряют разрешение в плоскости объекта; указывайте оптическое изменение увеличения.
• Покупать varifocal для точного контроля. Если фокальная плоскость смещается при каждой регулировке, пост теряет время и повторяемость. Требуйте парафокальность с проверенной центровкой.

7. Часто задаваемые вопросы

Зум и увеличение — это одно и то же?

Нет. Зум — это изменение фокусного расстояния оптической системы, меняющее поле зрения. Увеличение — отношение размера изображения к размеру объекта. Регулировка зума меняет увеличение как побочный эффект, но это разные величины, и в паспортах они указываются по-разному.

Что на самом деле означает «зум-объектив 6,5X»?

6,5X — это зум-отношение: отношение максимального увеличения к минимальному, например 4,5X делить на 0,7X. Сам объектив покрывает оптическое увеличение 0,7X–4,5X, а рабочее поле зрения на сенсоре 2/3 дюйма — от примерно 15,7 мм по диагонали при 0,7X до примерно 2,4 мм при 4,5X.

Можно ли менять поле зрения без смены объектива?

Да, с непрерывным зум-объективом. Он меняет увеличение внутри одного корпуса, поэтому одна камера покрывает диапазон полей зрения. Если объектив парафокальный, изображение остаётся в фокусе во всём диапазоне — именно это делает смену практичной на контрольно-измерительном посту.

Что такое парафокальность и почему она важна для контроля?

Парафокальность означает, что объектив держит изображение в фокусе при изменении увеличения или фокусного расстояния. Без неё каждая регулировка требует перефокусировки, что замедляет переналадку и снижает повторяемость автоматических постов. Промышленные зум-объективы POMEAS спроектированы и регулируются на парафокальность и центровку, поэтому калиброванное увеличение можно вызвать без перефокусировки.

Когда лучше выбрать FA-объектив, а не зум-объектив?

Когда поле зрения фиксировано, номенклатура мала, а тираж велик. FA-объектив проще, дешевле и обычно имеет меньшую дисторсию. Выбирайте зум-объектив, когда нужно гибкое или автоматическое изменение увеличения, размеры деталей смешанные, или когда один пост должен обслуживать несколько полей контроля.

Полезные материалы

• Руководство по выбору FA-объективов: размер сенсора, FOV, рабочее расстояние и точность
• Что такое моторизованный зум-объектив? Определение, оси и выбор
• Процедура регулировки парафокальности и центровки зум-объективов
• Выбор промышленных объективов: расчёты и типовые ошибки — FAQ