Jak okienko ochronne może zmienić jakość obrazu z aparatu

Wprowadzenie: Soczewka nie zawsze jest ostatnią powierzchnią optyczną

Aparat może wymagać przedniego okna, które chroni przed kurzem, wilgocią, środkami czyszczącymi lub przypadkowym kontaktem. W przypadku nadzoru zewnętrznego, inspekcji przemysłowej, systemów pojazdów i sprzętu narażonego na trudne warunki, ta powierzchnia ochronna może być niezbędna.

Ale umieszczenie kawałka szkła przedobiektywzmienia układ optyczny. Nawet płaskie, przezroczyste okno może powodować odbicia, zmniejszać transmisję, tworzyć widma lub wpływać na ostrość, jeśli nie jest to uwzględnione w projekcie. W rezultacie aparat może przejść podstawową kontrolę wizualną, ale straci kontrast w słabym oświetleniu.

Rozwiązaniem nie jest unikanie okien ochronnych. Należy je określić i zweryfikować jako część kompletnego systemu obrazowania.

1. Co to jest okienko ochronne aparatu?

Okienko ochronne to przezroczysty element umieszczony przed obiektywem lub modułem kamery. W zależności od zastosowania może to być szkło, polimer lub bardziej specjalistyczny materiał. Może być płaski lub ukształtowany, powlekany lub niepowlekany i zintegrowany w szczelnej obudowie.

Okno pełni rolę mechaniczną i optyczną. Mechanicznie pomaga chronić wewnętrzne komponenty przed środowiskiem. Optycznie staje się kolejną powierzchnią, przez którą musi przejść światło, zanim dotrze do obiektywu i czujnika.

To rozróżnienie ma znaczenie, ponieważ „wyraźny dla oka” niekoniecznie oznacza „optycznie neutralny”. Współczynnik załamania światła, grubość, równoległość, jakość powierzchni, powłoka i odległość od soczewki mogą mieć wpływ na wydajność.

2. Odbicia mogą zmniejszyć kontrast

Kiedy światło dociera do granicy faz pomiędzy materiałami o różnych współczynnikach załamania światła, jego część może zostać odbita. Okno ma co najmniej dwie powierzchnie, więc odbicia mogą wystąpić zarówno na powierzchni zewnętrznej, jak i wewnętrznej. W zależności od geometrii część odbitego światła może powrócić w stronę obiektywu lub czujnika i utworzyć obrazy widmowe.

Staje się to szczególnie zauważalne, gdy scena zawiera jasne źródła punktowe, takie jak reflektory, latarnie uliczne lub bezpośrednie światło słoneczne. Rezultatem może być zasłaniający odblask, słaby obraz wtórny lub zmniejszony kontrast wokół obszarów o wysokiej jasności.

Powłoka przeciwodblaskowa (AR) może redukować odbicia powierzchniowe w określonym zakresie długości fal i kącie padania. Jednakże wydajność powłoki zależy od rzeczywistego pasma optycznego, kąta i wymagań środowiskowych. Nie należy automatycznie zakładać, że powłoka zaprojektowana dla światła widzialnego jest odpowiednia do stosowania w bliskiej podczerwieni lub termicznej podczerwieni.

Określając okno, zapytaj o wymagania dotyczące transmisji lub odbicia w odpowiednim paśmie fal, a nie tylko o stwierdzenie, że powierzchnia jest pokryta.

3. Płaskość, równoległość i klin

Okno ochronne może wydawać się płaskie, ale nadal ma istotne tolerancje optyczne. Płaskość powierzchni opisuje, jak bardzo powierzchnia odbiega od zamierzonego kształtu. Równoległość opisuje relację kątową pomiędzy dwiema powierzchniami. Mały klin może sterować transmitowaną wiązką, podczas gdy błędy powierzchniowe mogą powodować zmiany czoła fali.

Znaczenie zależy od rozdzielczości aparatu, przysłony, pola widzenia i odległości roboczej. Podstawowa kamera monitorująca może tolerować inny poziom błędów niż precyzyjny system inspekcyjny.

Jeśli okno jest grube, mocno nachylone lub znajduje się blisko wrażliwej ścieżki optycznej, może zaistnieć potrzeba uwzględnienia jego wpływu w projekcie układu optycznego lub kalibracji systemu. Właściwe tolerancje należy wyprowadzić z wymagań dotyczących obrazowania, a nie skopiować z ogólnego rysunku.

4. Grubość i odległość od soczewki

Dodanie płasko-równoległej płytki do zbieżnej wiązki może zmienić ostrość i długość ścieżki optycznej. Praktyczny efekt zależy od konstrukcji soczewki i położenia okienka względem soczewki. Jeśli okno zostanie umieszczone po optymalizacji obiektywu, ostateczna ostrość i jakość obrazu mogą różnić się od pierwotnego projektu.

Odległość od okna do obiektywu również ma znaczenie. Mała szczelina może zmniejszyć przestrzeń dostępną do zarządzania zanieczyszczeniami lub montażu mechanicznego. Większa szczelina może zmienić ścieżki odbicia i może sprawić, że powierzchnie wewnętrzne będą bardziej widoczne dla obiektywu.

W przypadku nowego projektu kamery najbardziej solidnym podejściem jest zapewnienie projektantowi optyki materiału okna, grubości, tolerancji klina lub równoległości, powłoki, nachylenia i odległości montażowej na początku projektu. W przypadku istniejącej kamery, jeśli to możliwe, porównaj wydajność z oknem i bez niego, a następnie sprawdź ostateczny montaż.

5. Wybór materiału: szkło czy polimer?

Wybór materiału to równowaga pomiędzy wymaganiami optycznymi, mechanicznymi, środowiskowymi i kosztowymi.

Szkło może zapewniać dobrą trwałość powierzchni i stabilność wymiarową w wielu zastosowaniach, ale jego rodzaj, grubość, obróbka krawędzi i powłoka nadal muszą odpowiadać środowisku. Okna polimerowe mogą zmniejszać wagę lub wspierać złożone kształty, ale mogą mieć różną odporność na zarysowania, rozszerzalność cieplną, odporność chemiczną i właściwości optyczne.

Nie ma uniwersalnego, najlepszego materiału. Okno wystawione na działanie czynników atmosferycznych może mieć inne wymagania niż okno stosowane wewnątrz urządzenia medycznego czy obudowy przemysłowej. Rozważać:

Transmisja widmowa w paśmie operacyjnym kamery

Twardość powierzchni i odporność na ścieranie

Kompatybilność chemiczna ze środkami czyszczącymi

Zakres temperatur i rozszerzalność cieplna

Ryzyko zawilgocenia i kondensacji

Wymagania dotyczące udarności i sposób montażu

Długoterminowa dostępność i koszt

Są to decyzje na poziomie systemu, a nie tylko wybory dotyczące zakupu oparte na cenie za sztukę.

6. Brud, woda, kondensacja i obróbka powierzchni

Okienko ochronne działa dobrze tylko wtedy, gdy pozostaje funkcjonalne optycznie. Kurz, odciski palców, kropelki wody, olej i kondensacja mogą rozpraszać lub przekierowywać światło. W zastosowaniach zewnętrznych kropla może działać jak mała soczewka i zniekształcać scenę. Brudne okno może również zmniejszyć kontrast na długo przed wystąpieniem wrażenia, że ​​aparat uległ awarii.

Obróbka powierzchni może pomóc w opanowaniu niektórych zanieczyszczeń, ale powinna być wybrana pod kątem przewidywanego środowiska i sprawdzona pod kątem trwałości. Na przykład obróbka hydrofobowa lub oleofobowa nie zastępuje odpowiedniego uszczelnienia, drenażu, dostępu do czyszczenia lub kontroli kondensacji.

Konstrukcja mechaniczna ma takie samo znaczenie jak powłoka powierzchniowa. Zastanów się, jak odpływa woda, czy okno jest wnękowe, jak można je wyczyścić i czy obudowa jest w stanie utrzymać wymagane warunki temperatury i wilgotności.

7. Kamery widzialne, bliskiej podczerwieni i termowizyjne wymagają innych okien

Termin „przezroczysty” jest niepełny bez określenia długości fali. Materiał dobrze przepuszczający światło widzialne może nie przepuszczać energii bliskiej podczerwieni lub długofalowej podczerwieni w sposób, jakiego wymaga kamera termowizyjna.

W przypadku kamer widzialnych i bliskiej podczerwieni odpowiednie mogą być zwykłe okulary optyczne, jeśli ich transmisja i powłoki odpowiadają systemowi. Systemy termowizyjne często wymagają specjalistycznych materiałów przepuszczających podczerwień i muszą być oceniane w paśmie widmowym detektora. Zwykła szklana osłona może blokować większość długofalowego promieniowania podczerwonego wykorzystywanego przez wiele kamer termowizyjnych.

Nie wybieraj okna kierując się wyłącznie wyglądem. Określ zakres długości fal roboczych, kąty padania, warunki temperaturowe i wymaganą transmisję. Jeśli kamera łączy wiele kanałów widmowych, każdy kanał może narzucać inne wymagania.

8. Praktyczna lista kontrolna specyfikacji

Przed zatwierdzeniem okna ochronnego należy sprawdzić, co następuje:

Pasmo widmowe: widzialne, bliska podczerwień, podczerwień krótkofalowa lub podczerwień długofalowa

Transmisja i odbicie: wartości docelowe dla wymaganych długości fal i kątów

Materiał i grubość: w tym kompatybilność środowiskowa

Jakość powierzchni: zadrapania, wgłębienia, płaskość i równoległość, jeśli to konieczne

Powłoka: AR, ochronna, hydrofobowa lub inna obróbka w określonych warunkach

Integracja mechaniczna: nachylenie, odstępy, uszczelnienie, utrzymanie i dostępna apertura

Narażenie środowiska: temperatura, wilgoć, kurz, chemikalia, ścieranie i uderzenia

Test akceptacyjny: kontrast obrazu, odblaski, ostrość i transmisja w końcowym montażu

W przypadku wymagających zastosowań należy uwzględnić rzeczywiste okno w ocenie optycznej aparatu, zamiast oceniać obiektyw i okno niezależnie i zakładać, że kombinacja będzie zachowywać się identycznie.

Jak optyka Boshi może wspierać integrację optyczną

Optyka Boshiegodostarcza produkty optyczne i dostosowane wsparcie optyczne do zastosowań związanych z obrazowaniem w bezpieczeństwie, elektronice samochodowej, urządzeniach medycznych i innych dziedzinach. W przypadku projektów obejmujących okno osłonowe, nietypowe ograniczenia pakietu lub niestandardowe pasmo widma, przejrzyj plikniestandardowe produkty optycznestronę i udostępnij odpowiednie wymagania systemowe.

Przydatne informacje na początek obejmują czujnik lub detektor, długość fali roboczej, pole widzenia, odległość obiektywu od okna, grubość i materiał okna, temperaturę roboczą i docelową jakość obrazu. Wczesna koordynacja może pomóc w określeniu, czy okno powinno zostać uwzględnione w projekcie optycznym, walidacji montażu, czy w obu przypadkach.

Wniosek: traktuj okno jako część kamery

Okienko ochronne to nie tylko mechaniczne akcesorium umieszczane przed inaczej wykończonym aparatem. Jest częścią ścieżki optycznej i może wpływać na transmisję, odbicia, ostrość, kontrast i niezawodność środowiskową.

Wybierz materiał i powłokę odpowiednio do rzeczywistej długości fali i środowiska. Zdefiniuj tolerancje mechaniczne, uwzględnij okno w ocenie optycznej i przetestuj końcowy montaż w realistycznych warunkach oświetleniowych.

Gdy jakość obrazu z aparatu ma znaczenie, każda powierzchnia optyczna zasługuje na uwagę – łącznie z tą dodaną w celu ochrony obiektywu.