Конфигурация зум-объектива для поля зрения 30 mm: обратный подбор

Зона контроля 30 mm, камера 2/3" уже выбрана, объектива пока нет — эта страница идёт обратным ходом: от поля зрения к аппаратной конфигурации, которая его обеспечивает.

Деталь имеет ширину 30 mm. Что дальше?

В чертеже указана зона контроля 30 mm, камера — модель 2/3", уже закреплённая на кронштейне, и открытым остаётся только объектив. Это и есть обратный подбор: поле зрения — входные данные, аппаратная конфигурация — результат.

Две привычки усложняют задачу сильнее, чем нужно. Покупка по увеличению сравнивает корпуса без дополнительной оптики при "0.3X". Покупка по рабочему расстоянию берёт максимальный отступ и предполагает, что поле зрения подстроится само. Не работает ни то, ни другое: 30 mm на сенсоре 2/3" — это широкий запрос, а широкий кадр — единственное направление, для которого корпус зум-объектива машинного зрения не проектировался.

Отталкиваетесь от рабочего расстояния или от камеры, а не от поля зрения? Тогда лучше начать с руководства по четырём путям конфигурации.

Расчёт в три строки: от поля зрения к увеличению

Три строки — и дальше эта страница арифметикой не занимается:

• Эффективное увеличение = увеличение корпуса зум-объектива × коэффициент вспомогательного объектива × коэффициент ТВ-тубуса.
• Горизонтальное поле зрения = ширина сенсора, делённая на эффективное увеличение.
• Для объекта 30 mm на сенсоре 2/3" (ширина 8.8 mm) увеличение ≈ 8.8 ÷ 30 ≈ 0.29X (рассчитано).

Эти 0.29X — вся оптическая спецификация; всё остальное — аппаратная часть. Вывод формул, другие форматы сенсоров и расчёты в реальном времени — в разборе калькулятора увеличения и поля зрения и в инструменте расчёта поля зрения.

Почему корпус зум-объектива без дополнительной оптики не даёт 30 mm на сенсоре 2/3"

Кратность 6.5:1 или 12.5:1 описывает, насколько далеко меняется увеличение, а не насколько широко объектив раскрывается. У любого корпуса POMEAS нижняя граница заметно выше 0.29X, поэтому его самый широкий кадр значительно уже 30 mm.

Корпус 12.5X останавливается на 15.2 mm при 2/3" — это примерно половина нужного; даже корпус 4K на более крупном сенсоре 1" доходит только до 18.8 mm. ("14X" — это кратность зума, а не увеличение, и здесь она не помогает.)

Поэтому любое реальное решение имеет одну и ту же форму: уменьшить увеличение вдвое, а затем выбрать, в каком месте оптического тракта это сделать. Перед корпусом вспомогательный объектив меняет увеличение и рабочее расстояние. За корпусом ТВ-тубус меняет только увеличение и не затрагивает рабочее расстояние. Именно поэтому 0.5X присутствует во всех трёх вариантах ниже — вдвое это то, что требует расчёт.

Вариант A — корпус 12.5X + вспомогательный объектив 0.5X (рабочее расстояние 155 mm)

Спереди — вспомогательный объектив 0.5X (SKU 75205), сзади — ТВ-тубус 1X (75110). Корпус — коаксиальный зум-объектив PMS-LZL-12101 12.5X с плавным изменением увеличения, коаксиальное освещение входит в стандартную комплектацию — преимущество, которое растёт с увеличением отступа, поскольку кольцевой осветитель теряет интенсивность с расстоянием.

Результат — 0.29X–3.75X, от 30.3 mm до 2.3 mm по горизонтали и от 22.8 mm до 1.8 mm по вертикали, рассчитано для сенсора 8.8 × 6.6 mm. Тридцать миллиметров оказываются на широком краю: при минимальном зуме деталь заполняет кадр, а весь диапазон 12.5:1 остаётся для контроля внутри неё. Замените ТВ-тубус на 0.5X — тот же тракт 155 mm даст кадр 60.7 mm; замените на 2X — 15.2 mm.

Что даёт объектив. Рабочее расстояние фиксируется на 155 mm — оно не меняется ни при зумировании, ни при замене ТВ-тубусов. Определяющее свойство вспомогательного объектива в том, что он переносит переднюю фокальную точку, поэтому вся система отодвигается дальше — это принцип, лежащий в основе того, что реально меняет вспомогательный объектив. На практике 155 mm — это разница между кольцевым осветителем, который помещается вокруг объектива, и тем, который с ним сталкивается.

Чем это оплачивается. Стекло: линзы и границы раздела воздух–стекло перед корпусом означают более длинный тракт, ещё один интерфейс юстировки и чуть меньше света на сенсоре. Дискретизация: при кадре 30 mm эта пара работает на 0.29X — вдвое меньше минимального увеличения самого корпуса, поэтому каждый пиксель охватывает вдвое больше объекта (рассчитано, шаг дискретизации примерно удваивается, до ~26 µm). Свет: кольцевой или линейный осветитель на 155 mm даёт меньше на объекте, поэтому нужно поднимать экспозицию или мощность.

Почему 155 mm — отдельный уровень и почему то же поле зрения можно получить на 297 mm, описано в материале как устроен уровень 155 mm (12.5X + 0.5X).

Вариант B — корпус 12.5X + ТВ-тубус 0.5X (рабочее расстояние остаётся 77.4 mm)

Вариант B уменьшает увеличение в той же пропорции, но с другой стороны: ТВ-тубус 0.5X (75105) между корпусом и камерой, спереди ничего. Сам корпус работает в диапазоне 0.58X–7.5X при 77.4 ± 2 mm; уменьшение вдвое за объективом даёт 0.29X–3.75X, от 30.3 mm до 2.3 mm по горизонтали и от 22.8 mm до 1.8 mm по вертикали (рассчитано). Рядом с вариантом A оптический тракт идентичен — цифра в цифру.

Отличие в том, где расположен объектив. ТВ-тубус — это адаптер камеры: он работает с пучком со стороны изображения за последней группой линз и не может сместить фокальную плоскость со стороны объекта. Рабочее расстояние остаётся 77.4 mm, с учётом допуска — примерно на 78 mm меньше отступа, чем в варианте A (рассчитано).

Что даёт вариант B. Самый простой тракт: корпус, тубус, камера. Никакого стекла спереди, никакого дополнительного удлинения перед объективом, никакого нового интерфейса юстировки, а габариты перед деталью точно такие же, как с корпусом без дополнительной оптики, поэтому оснастка, рассчитанная на обычный 12.5X, продолжает работать. Вы также сохраняете весь диапазон 12.5:1 с одним адаптером и без изменений аппаратной части.

Чем это оплачивается. Зазором, и только зазором — но он реальный. 77.4 mm должны вместить кольцевой осветитель, высоту детали, щуп и ход по оси Z, плюс ±2 mm допуска корпуса; на подвижном столе это превращается в расчёт на столкновение.

Отсюда следуют две вторичные издержки. Углы: самый широкий край соответствует минимальному увеличению, где освещённость углов и виньетирование проявляются сильнее всего, поэтому проверьте яркость на 0.29X. Глубина резкости: для семейства 12.5X глубина резкости по увеличениям не публикуется, поэтому значение для корпуса без дополнительной оптики нельзя принимать по умолчанию.

Одна деталь работает на оба варианта с 12.5X: ТВ-дисторсия — искажение со стороны изображения на сенсоре — опускается до 0.001%, и именно поэтому кадр 30.3 mm остаётся достоверными 30.3 mm по краям.

Вариант C — корпус 4K 1" с ТВ-тубусом 0.5X (запас на развитие)

Вариант C меняет не переднюю оптику, а сам корпус. Промышленный зум-объектив PMS-LZH-7505W 4K работает в диапазоне 0.68X–5.0X на расстоянии 80 mm с сенсором 1", паспортное разрешение — 10.17 µm при 0.68X с улучшением до 2.8 µm, глубина резкости 1.78–0.07 mm, числовая апертура 0.033–0.12. С ТВ-тубусом 0.5X за ним эффективный диапазон составляет 0.34X–2.5X: от 37.6 mm до 5.1 mm по горизонтали и от 28.2 mm до 3.8 mm по вертикали (рассчитано для сенсора 12.8 × 9.6 mm).

Характер другой. В вариантах A и B 30 mm — это край диапазона: деталь заполняет кадр, и любая регулировка увеличивает зум. В варианте C это внутренняя точка, а кадр раскрывается до 37.6 mm — запас под контур оснастки, под разброс положения деталей на конвейере или под метку совмещения, то есть реперный знак, по которому программа находит деталь и который должен оставаться в поле зрения.

Чем это оплачивается. Четырьмя вещами:

• Корпус и камера, а не адаптер: корпус 12.5X принимает сенсоры до 2/3", а сенсор 1" за ним даёт виньетирование, поэтому более крупная камера с 12.5X таких значений не даст — ограничением является круг изображения (см. правила согласования сенсора и круга изображения).
• Дискретизация: с ТВ-тубусом 0.5X каждый пиксель охватывает примерно вдвое больше объекта, чем на корпусе 4K без дополнительной оптики при том же положении зума (рассчитано), то есть часть преимущества в более высоком разрешении линейки 4K расходуется.
• Глубина резкости: значение 1.78–0.07 mm относится к корпусу без дополнительной оптики; глубина резкости комбинации не публикуется и через тубус не переносится.
• Потолок: 37.6 mm — это предел данного варианта, поэтому деталь 60 mm недостижима при любой настройке зума.

Сравнение вариантов: одно поле зрения 30 mm, разная физика

Все три варианта кадрируют деталь 30 mm на своём сенсоре. Таблица — самое короткое честное резюме; абзацы после неё описывают то, чего таблица показать не может.

Глубины резкости здесь нет намеренно. Для семейства 12.5X она не публикуется по увеличениям, а глубина резкости комбинации не наследуется от базового объектива. Только вариант C имеет опубликованный диапазон — 1.78–0.07 mm, и он относится к корпусу 4K без дополнительной оптики. Если именно глубина резкости, а не поле зрения, является вашим жёстким ограничением, изучите компромисс в сравнении зум-объектива и объектива с фиксированным фокусным расстоянием.

Отступ — единственное реальное различие между A и B. Их оптика даёт одно и то же число. A — это стекло спереди и примерно 78 mm дополнительного пространства; B — открытый торец и тесная оснастка. По качеству изображения при таком кадрировании они не различаются.

Запас варианта C оплачивается верхней частью диапазона. При максимальном зуме он сужается до 5.1 mm, тогда как A и B доходят до 2.3 mm. Если важна деталь размером 2 mm внутри зоны 30 mm, варианты с 12.5X сохраняют больший резерв увеличения.

Если в следующем квартале деталь вырастет до 60 mm или уменьшится до 15 mm

Размеры поля меняются, и конфигурация, которая умеет только 30 mm, — это типичный способ через полгода покупать второй объектив.

Вариант A — гибкий: объектив остаётся на месте, меняется только ТВ-тубус — один объектив, три тубуса, три уровня поля, одно рабочее расстояние. Вариант B даёт два уровня, 30.3 и 15.2 mm, потому что 0.5X — уже минимальный коэффициент ТВ-тубуса. Вариант C устроен наоборот: самая широкая единственная настройка и жёсткий потолок 37.6 mm.

Если детали 60 mm нужен ещё и большой отступ, ни один из трёх вариантов не подходит: это уровень 0.25X, где корпус 12.5X работает на 297 mm и кадрирует 60.7 mm с ТВ-тубусом 1X (рассчитано) — см. вариант с большим рабочим расстоянием 297 mm. Для перекрытия от 10 mm до 4 mm логика совсем иная: разобранный случай поля зрения 10–4 mm.

Что реально разрешает 0.29X

Увеличение — не разрешение, и при 0.29X это различие перестаёт быть теоретическим. Оба варианта с 12.5X достигают кадра 30 mm уменьшением увеличения вдвое, поэтому каждый пиксель охватывает вдвое больше объекта, чем с корпусом без дополнительной оптики при том же положении зума. Паспортные значения по-прежнему описывают корпус; дискретизация на детали под ними изменилась.

Читайте этот столбец как предел, а не как обещание. Шаг дискретизации около 26 µm ставит детали такого масштаба на границу того, что система различает; остальное решают контраст, угол освещения и чистота поверхности. Кадр 30 mm — это обзорный вид: он подходит для обнаружения дефекта, поиска детали или считывания базы, но не для оценки царапины 10 µm. Увеличьте зум до 3.75X — кадр станет 2.3 mm, а разрешение корпуса улучшится до 3.05 µm начиная с 4.5X.

Одно предостережение относится ко всем вариантам на этой странице: глубина резкости по увеличениям не публикуется, поэтому никогда не переносите значение для корпуса без дополнительной оптики на объектив или ТВ-тубус.

Четыре ошибки при выборе только по полю зрения

1. Апгрейд камеры ради расширения поля. Более крупный сенсор не расширяет кадр, если круг изображения не может его покрыть. За корпусом 12.5X сенсор 1" даёт виньетирование; поле ограничено объективом, а не числом пикселей. Если 1" действительно нужен, меняется и корпус — это вариант C, а не апгрейд.

2. Трактовка кратности зума как диапазона поля зрения. Корпус 12.5:1 не начинает с широкого. Его самый широкий кадр на 2/3" — 15.2 mm (рассчитано), и уменьшение зума за эту границу не выходит. Кратность — это ход, а не охват.

3. Отношение к вспомогательному объективу и ТВ-тубусу как к взаимозаменяемым. Оба уменьшают увеличение вдвое, поэтому на бумаге выглядят как одна и та же покупка. В аппаратной части они различаются по параметру, который обычно и решает судьбу проекта: объектив меняет рабочее расстояние, ТВ-тубус — никогда. Объектив выбирают ради зазора.

4. Задание поля зрения без числа дискретизации рядом. "Поле зрения 30 mm" ничего не говорит о том, видит ли система то, что вам важно. Два варианта с одинаковым полем зрения могут различаться отступом, габаритами, освещённостью углов и поведением глубины резкости — ничего из этого не видно в шапке спецификации, а сторона этого компромисса, связанная с отступом, — это ровно рабочее расстояние против глубины резкости.

Вопросы и ответы: поле зрения 30 mm

Какой объектив даёт поле зрения 30 mm?

Горизонтального поля зрения 30 mm достигают три серийные конфигурации: корпус 12.5X со вспомогательным объективом 0.5X и ТВ-тубусом 1X при 155 mm; тот же корпус с ТВ-тубусом 0.5X при 77.4 mm; или корпус 4K 1" с ТВ-тубусом 0.5X при 80 mm, где 30 mm находятся внутри диапазона от 37.6 до 5.1 mm (рассчитано).

Как перевести поле зрения 30 mm в требуемое увеличение?

Разделите ширину сенсора на целевое поле. Для сенсора 2/3" это 8.8 mm, делённые на 30 mm, то есть примерно 0.29X (рассчитано). Полный вывод и расчёты в реальном времени — на странице калькулятора увеличения и поля зрения и в инструменте расчёта поля зрения.

Может ли корпус зум-объектива без дополнительной оптики дать 30 mm на сенсоре 2/3"?

Нет. Каждый корпус ограничен своим минимальным увеличением: 6.5X останавливается на 12.6 mm, 12.5X — на 15.2 mm, а 14X — на 16.0 mm при 2/3", всё рассчитано. Чтобы получить 30 mm, нужно уменьшить увеличение вдвое — вспомогательным объективом 0.5X спереди или ТВ-тубусом 0.5X сзади.

Что использовать — ТВ-тубус или вспомогательный объектив?

Используйте ТВ-тубус, если 77.4 mm отступа достаточно: он уменьшает увеличение вдвое, не затрагивая рабочее расстояние. Используйте вспомогательный объектив, если нужен уровень 155 mm для освещения, щупов или зазора до оснастки. Оба дают одинаковый кадр 30 mm, поэтому решение принимается по зазору, а не по оптике.

Какое рабочее расстояние даёт каждый вариант?

Вариант A даёт 155 mm — это значение задаёт объектив 0.5X, и оно не меняется при зумировании или замене ТВ-тубуса. Вариант B сохраняет паспортное значение 12.5X — 77.4 mm плюс-минус 2 mm. Вариант C использует корпус 4K на 80 mm. Все три кадрируют 30 mm по горизонтали на своих сенсорах.

А если в следующем квартале деталь вырастет до 60 mm?

В варианте A замените ТВ-тубус 1X на ТВ-тубус 0.5X, и та же конфигурация 155 mm даст кадр 60.7 mm (рассчитано). Вариант B за этим не последует: 0.5X — уже минимальный коэффициент ТВ-тубуса, поэтому 30.3 mm — его потолок. Вариант C останавливается на 37.6 mm.