Wprowadzenie: Karta specyfikacji obiektywu to nie tylko tabela liczb

Kiedy inżynierowie wybierają obiektyw aparatu, pierwszy krok jest zwykle prosty:

Otwórz arkusz specyfikacji.

Potem przychodzi trudniejsza część.

Typowy arkusz danych obiektywu może zawierać:

• EFL
• Liczba F
• Pole widzenia
• MTF
• Zniekształcenie
• Agencja ratingowa
• TTL
• Format czujnika
• Oświetlenie względne

Dla doświadczonych inżynierów optycznych liczby te mówią wiele.

Dla początkujących mogą wyglądać jak język obcy.

Wyzwaniem nie jest znalezienie obiektywu o „najlepszych” specyfikacjach.

Wyzwaniem jest zrozumienie:

Które parametry optyczne faktycznie mają znaczenie dla Twojej aplikacji?

Kamera monitorująca, autonomiczny robot, dron, urządzenie medyczne i przemysłowy system wizyjny korzystają z soczewek, ale wymagają zupełnie innych właściwości optycznych.

W tym przewodniku wyjaśniono podstawowe specyfikacje obiektywów do aparatów, z którymi inżynierowie muszą się zapoznać przed dokonaniem wyboru.

1. Ogniskowa (EFL): podstawa perspektywy obiektywu

Co to jest ogniskowa?

Efektywna ogniskowa (EFL) to jedna z najważniejszych specyfikacji obiektywu aparatu.

Określa:

• Powiększenie
• Kąt widzenia
• Relacja perspektywiczna pomiędzy obiektami

Po prostu:

Krótka ogniskowa = szerszy widok
Długa ogniskowa = węższe pole widzenia

Typowe przykłady

Obiektyw szerokokątny

Typowe ogniskowe:

• 1,8 mm
• 2,8 mm
• 3,6 mm

Aplikacje:

• Kamery bezpieczeństwa
• Inteligentne urządzenia domowe
• Robotyka
• Monitorowanie parkingu

Zalety:

• Duży obszar zasięgu
• Większa świadomość ekologiczna

Ograniczenia:

• Większe zniekształcenia
• Zmniejszony rozmiar obiektu na odległość

Teleobiektyw

Typowe ogniskowe:

• 12mm
• 25mm
• 50mm+

Aplikacje:

• Monitorowanie ruchu
• Inspekcja na odległość
• Pomiar przemysłowy

Zalety:

• Uchwyca odległe szczegóły

Ograniczenia:

• Wąskie pole widzenia

2. Pole widzenia (FOV): ile widzi kamera?

Pole widzenia opisuje widoczny obszar uchwycony przez obiektyw.

Zwykle wyraża się to jako:

• Poziome pole widzenia
• Pionowe pole widzenia
• Ukośne pole widzenia

Dlaczego FOV ma znaczenie

Wybór niewłaściwego pola widzenia stwarza kosztowne problemy.

Za wąskie:

• Więcej martwych punktów
• Wymaganych więcej kamer
• Wyższy koszt instalacji

Za szeroki:

• Nadmierne zniekształcenia
• Zmniejszona dokładność rozpoznawania

Profesjonalny proces doboru soczewek zawsze uwzględnia:

• Odległość docelowa
• Obszar wykrywania
• Rozmiar obiektu
• Wymagania uznania

3. Przysłona (liczba F): zdolność obiektywu do przechwytywania światła

Przysłona to jedna z najbardziej źle rozumianych specyfikacji.

Liczba F reprezentuje stosunek pomiędzy:

• Ogniskowa obiektywu
• Średnica źrenicy wejściowej

Im mniejsza liczba F:

→ Im większa apertura
→ Im więcej światła dociera do obiektywu

Typowe wartości przysłony

Dlaczego przysłona ma znaczenie

Środowiska o słabym oświetleniu stwarzają wyzwania:

• Zwiększony hałas czujnika
• Dłuższy czas ekspozycji
• Rozmycie ruchu

Większa apertura pomaga, zapewniając więcej informacji optycznych przed wzmocnieniem elektronicznym.

Dlatego też zastosowania wymagające wysokiej wydajności coraz częściej skupiają się na obiektywach o dużej aperturze.

4. Zgodność czujnika: Obiektyw i czujnik muszą ze sobą współpracować

Częstym błędem popełnianym przez inżynierów jest wybór obiektywu wyłącznie na podstawie ogniskowej.

Obiektyw musi także pasować do formatu matrycy.

Typowe rozmiary czujników obejmują:

• 1/4"
• 1/3"
• 1/2,7"
• 1/2"
• 1/1,8"
• 1/1,2"

Co się stanie, gdy nie będą pasować?

Okrąg obrazu obiektywu jest za mały

Wynik:

• Ciemne zakątki
• Winietowanie
• Utracone piksele

Obiektyw zaprojektowany dla mniejszego czujnika używanego z większym czujnikiem

Wynik:

• Obniżona jakość obrazu
• Słaba wydajność krawędzi

Profesjonalne dopasowanie optyczne wymaga uwzględnienia:

• Przekątna czujnika
• Rozmiar piksela
• Główny kąt promienia
• Koło obrazu

5. Zniekształcenie: różnica między szerokim a użytecznym

Zniekształcenie opisuje stopień zakrzywienia linii prostych na obrazie.

Najpopularniejszy typ:

Zniekształcenie beczkowe

Typowe w:

• Obiektywy szerokokątne
• Obiektywy typu rybie oko
  
  

Zniekształcenia nie zawsze są złe.

Na przykład:

Obiektywy do dronów FPV często celowo wykorzystują silne zniekształcenia szerokokątne, aby zapewnić wciągające widzenie.

Jednakże:

Aplikacje takie jak:

• Systemy pomiarowe
• Rozpoznawanie tablic rejestracyjnych
• Widzenie maszynowe

wymagają lepszej kontroli zniekształceń.

Kluczem nie jest całkowite wyeliminowanie zniekształceń.

Kluczem jest kontrolowanie zniekształceń zgodnie z potrzebami aplikacji.

6. MTF: Pomiar rzeczywistej wydajności optycznej

MTF (funkcja transferu modulacji) jest jedną z najważniejszych metod oceny optycznej.

Opisuje, jak dobrze soczewka przenosi kontrast z obiektu na obraz.

Po prostu:

Wyższy MTF = Lepsza zdolność do odtwarzania szczegółów.

Dlaczego MTF ma znaczenie

Dwie soczewki mogą mieć:

• Ta sama ogniskowa
• Ta sama przysłona
• Ta sama ocena rozdzielczości

Ale zupełnie inna jakość obrazu.

Dlaczego?

Ponieważ wydajność optyczna zależy od:

• Jakość szkła
• Struktura soczewki
• Technologia powłok
• Precyzja wykonania

MTF odkrywa prawdziwe możliwości optyczne.

7. CRA (główny kąt promienia): krytyczny dla nowoczesnych czujników

CRA opisuje kąt padania promieni świetlnych docierających do czujnika.

Nowoczesne czujniki CMOS są bardzo wrażliwe na CRA.

Nieprawidłowe dopasowanie CRA może spowodować:

• Cieniowanie kolorów
• Zmniejszona jasność
• Degradacja obrazu

Parametr ten jest szczególnie ważny dla:

• Kamery samochodowe
• Widzenie maszynowe
• Czujniki o wysokiej rozdzielczości

8. TTL i parametry konstrukcyjne mechaniczne

Wydajność optyczna nie jest jedynym czynnikiem branym pod uwagę.

Inżynierowie muszą również wziąć pod uwagę kompatybilność mechaniczną.

Ważne parametry obejmują:

TTL (całkowita długość ścieżki)

Odległość optyczna od pierwszej powierzchni soczewki do płaszczyzny obrazu.

Ważne dla:

• Projekt modułu kamery
• Aplikacje o ograniczonej przestrzeni

Typ mocowania

Typowe interfejsy:

• Mocowanie M12
• Mocowanie CS
• Mocowanie C
• Mocowanie F
• Niestandardowe mocowania

Mocowanie decyduje o integracji mechanicznej.

9. Oświetlenie względne: jakość obrazu w całym kadrze

Oświetlenie względne opisuje spójność jasności od środka do krawędzi.

Słabe oświetlenie względne powoduje:

• Ciemne zakątki
• Nierówna jasność obrazu

Jest to szczególnie ważne dla:

• Obiektywy szerokokątne
• Kamery monitorujące
• Systemy wizyjne AI

Dobry obiektyw powinien zapewniać spójne oświetlenie całego obrazu.

10. Najczęstszy błąd: wybieranie specyfikacji zamiast rozwiązań

Jednym z największych błędów popełnianych przez inżynierów jest porównywanie obiektywów wyłącznie liczbowo.

Na przykład:

„Obiektyw A ma wyższą rozdzielczość, więc musi być lepszy.”

Nie koniecznie.

Aby wybrać udany obiektyw, należy wziąć pod uwagę cały system:

• Transduktor
• Środowisko oświetleniowe
• Odległość robocza
• Wymagania AI
• Możliwość przetwarzania obrazu

Najlepszy obiektyw to nie ten o najwyższej specyfikacji.

Jest to ten zoptymalizowany pod kątem aplikacji.

Jak inżynierowie powinni oceniać obiektyw aparatu

Przed wyborem obiektywu zapytaj:

Pytania aplikacyjne

• Jakie obiekty należy wykryć?
• Jaka jest odległość robocza?
• Jakie panują warunki oświetleniowe?
• Czy informacja o kolorze jest ważna?
• Czy w grę wchodzi analiza AI?

Pytania optyczne

• Czy FOV jest wystarczające?
• Czy przysłona jest wystarczająco duża?
• Czy czujnik pasuje?
• Czy zniekształcenia są dopuszczalne?
• Czy wydajność brzegowa jest ważna?

Pytania systemowe

• Czy rozmiar jest ograniczony?
• Czy wymagana jest stabilność temperatury?
• Czy długoterminowa niezawodność jest ważna?

Wniosek: zrozumienie specyfikacji obiektywów pozwala stworzyć lepsze systemy obrazowania

Dane techniczne obiektywu aparatu to nie tylko liczby techniczne.

Reprezentują one decyzje optyczne, które bezpośrednio wpływają na wydajność systemu.

Dobrze dobrany obiektyw może poprawić:

• Jakość obrazu
• Dokładność sztucznej inteligencji
• Niezawodność systemu
• Konkurencyjność produktu

Źle dobrany obiektyw może ograniczyć nawet najbardziej zaawansowany aparat i algorytm.

W nowoczesnych systemach obrazowania inżynierowie nie wybierają po prostu kawałka szkła.

Wybierają podstawę inteligencji wizualnej.

Ostateczny wgląd

Czujnik rejestruje piksele.

Algorytm przetwarza informacje.

Ale przede wszystkim soczewka określa, jakie informacje istnieją.

Lepsze zrozumienie optyki prowadzi do lepszych decyzji inżynieryjnych.