Dlaczego kompatybilność systemu ma większe znaczenie niż indywidualne specyfikacje

Projekt wykonany kamerą może wyglądać idealnie na papierze.

Czujnik ma wymaganą rozdzielczość. Obiektyw ma określoną ogniskową. Gwint montażowy pasuje. Budżet zostaje zatwierdzony.

Jednak pierwsza próbka daje rozczarowujące obrazy.

Kąty są niewyraźne. Obraz jest ciemniejszy niż oczekiwano. Ostrość zmienia się wraz ze wzrostem temperatury aparatu. Lub obiektyw rejestruje inny obszar sceny, niż przewidywał zespół inżynierów.

Problemy te nie muszą koniecznie oznaczać uszkodzenia obiektywu. Czasami problem polega na tym, że obiektyw został wybrany jako indywidualny element, a nie oceniany jako część kompletnego systemu obrazowania.

Dla producentów aparatów i twórców produktów to rozróżnienie ma znaczenie. Dobra specyfikacja obiektywu to nie to samo, co dobrze dobrany system aparatu.

1. Dlaczego dopasowanie liczby megapikseli nie wystarczy

Powszechnym podejściem do wyboru obiektywu jest dopasowanie reklamowanej liczby megapikseli obiektywu do czujnika aparatu.

Jest to przydatny filtr początkowy, ale nie gwarantuje oczekiwanej jakości obrazu.

Rzeczywisty wynik zależy od kilku czynników, w tym rozmiaru piksela, rozdzielczości optycznej, kontrastu, położenia pola obrazu, charakterystyki czujnika i przetwarzania obrazu.

Rozważmy kamerę z czujnikiem o wysokiej rozdzielczości. Środek obrazu może wyglądać ostro, a drobne szczegóły w pobliżu rogów będą bardziej miękkie. Pojedyncza etykieta megapikselowa nie jest w stanie w pełni opisać tej różnicy.

Z tego powodu inżynierowie często oceniają funkcję przenoszenia modulacji (MTF), która opisuje, jak dobrze system obrazowania odtwarza kontrast przy różnych częstotliwościach przestrzennych.

Praktycznym pytaniem nie jest po prostu to, czy obiektyw obsługuje określoną liczbę megapikseli. W konkretnym zastosowaniu liczy się to, czy obiektyw może zapewnić wymagane szczegóły w całym obszarze obrazu.

W przypadku kamery bezpieczeństwa działanie w narożnikach może mieć wpływ na zdolność rozpoznawania szczegółów w szerokiej scenie. W przypadku kamery inspekcyjnej ważniejsza może być jakość obrazu w konkretnym obszarze pomiarowym.

Prawidłowe kryteria oceny zależą od tego, co aparat faktycznie ma robić.

2. Pole widzenia zależy od czegoś więcej niż tylko ogniskowej

Obiektyw 2,8 mm jest często kojarzony z obrazowaniem szerokokątnym, podczas gdy dłuższa ogniskowa zazwyczaj rejestruje węższe pole widzenia w porównywalnych warunkach.

Jednak sama ogniskowa nie determinuje ostatecznego pola widzenia.

Wymiary czujnika również mają znaczenie. Podobnie jest z fizycznym położeniem kamery względem celu.

Wyobraź sobie dwa moduły kamer wykorzystujące obiektywy o tej samej ogniskowej. Jeśli ich czujniki mają różne wymiary aktywne, niekoniecznie będą rejestrować ten sam obszar sceny w poziomie lub w pionie.

Odległość robocza wiąże się z kolejną kwestią praktyczną. Obiektyw pokrywający żądany obszar z jednej odległości może uchwycić za dużo lub za mało, jeśli kamera jest zainstalowana w innym miejscu.

Zanim sfinalizujesz obiektyw, potwierdź trzy rzeczy:

Wymiary aktywnego obrazowania czujnika

Wymagane poziome i pionowe pole widzenia

Odległość robocza pomiędzy kamerą a celem

Jeśli to możliwe, załącz szkic planowanej instalacji lub zdjęcie przedstawiające położenie kamery.

Szczegóły te pomagają zespołowi optycznemu ocenić, czy proponowana ogniskowa jest odpowiednia, zamiast polegać wyłącznie na specyfikacji nominalnej.

3. Dopasowanie mechaniczne może mieć wpływ na wydajność optyczną

Obiektyw może mieć prawidłowy gwint i nadal nie pasować do konkretnego modułu aparatu.

Kompatybilność mechaniczna to coś więcej niż tylko to, czy części można ze sobą skręcić.

Dostępna przestrzeń, odległość obiektywu od czujnika, tolerancje montażowe, konstrukcja obudowy i metoda regulacji ostrości mogą mieć wpływ na ostateczny montaż.

Na przykład produkt kompaktowy może nakładać ścisłe ograniczenie całkowitej długości toru (TTL). Obiektyw spełniający wymagania optyczne, ale przekraczający dostępną przestrzeń, nie jest rozwiązaniem praktycznym.

Podobnie zmiana obudowy lub konstrukcji montażowej może zmienić położenie obiektywu względem czujnika.

W przypadku projektu niestandardowego warto udostępnić rysunek mechaniczny przed sfinalizowaniem projektu optycznego.

Ważne szczegóły obejmują typ mocowania, maksymalne wymiary obiektywu, położenie czujnika, dostępny zakres regulacji i wszelkie ograniczenia narzucone przez obudowę.

Jest to szczególnie istotne w przypadku kompaktowych kamer bezpieczeństwa, samochodowych modułów obrazowania, wbudowanych urządzeń wizyjnych i medycznych systemów endoskopowych.

Im wcześniej wymagania optyczne i mechaniczne zostaną uwzględnione łącznie, tym mniejsze ryzyko wykrycia problemu integracji po wyprodukowaniu próbek.

4. Warunki oświetleniowe mogą zmienić wybór odpowiedniego obiektywu

Obiektyw przeznaczony do dobrze oświetlonych wnętrz może nie być najlepszym wyborem dla aparatu pracującego na zewnątrz w nocy.

Warunki oświetleniowe wpływają na wymagania optyczne, ale rozwiązaniem nie zawsze jest wybór obiektywu o największej aperturze.

Szersza przysłona może pozwolić na dotarcie większej ilości światła do czujnika, co jest przydatne w zastosowaniach przy słabym oświetleniu. Jednak jakość obrazu zależy również od takich czynników, jak głębia ostrości, kontrola aberracji, czułość czujnika, ustawienia ekspozycji i zamierzona odległość robocza.

Obrazowanie w podczerwieni wprowadza dodatkowe uwagi.

Na przykład kamera wykorzystująca oświetlenie podczerwone o długości fali 850 nm lub 940 nm może wymagać konfiguracji obiektywu i filtra odpowiedniej dla tego zakresu długości fal. Nie należy automatycznie zakładać, że system zaprojektowany głównie dla światła widzialnego zapewnia równoważną wydajność w warunkach bliskiej podczerwieni.

W przypadku kamer monitorujących pracujących w trybie dziennym i nocnym należy łącznie ocenić obiektyw, układ filtrów, czujnik i strategię oświetlenia.

Celem nie jest maksymalizacja pojedynczej specyfikacji. Ma to na celu osiągnięcie wymaganego obrazu w rzeczywistych warunkach pracy.

5. Stabilność temperatury jest wymaganiem na poziomie systemu

Temperatura może mieć wpływ zarówno na elementy optyczne, jak i mechaniczne.

Zmiany wymiarów materiału i właściwości refrakcyjnych mogą przesunąć położenie ogniskowej lub zmienić jakość obrazu w miarę zmiany środowiska. Wielkość tych efektów zależy od konstrukcji optycznej, materiałów, konstrukcji mechanicznej i zakresu temperatur roboczych.

Soczewka, która dobrze wypadnie w krótkim teście laboratoryjnym w temperaturze pokojowej, może zatem wymagać dodatkowej oceny przed użyciem w produkcie do zastosowań zewnętrznych lub motoryzacyjnym.

W przypadku projektów o wysokich wymaganiach środowiskowych należy wcześniej określić oczekiwany zakres temperatur pracy.

Zespół inżynierów może następnie określić, czy należy rozważyć przesunięcie ogniska związane z temperaturą, wybór materiału, kompensację mechaniczną lub dodatkową walidację.

Ważne jest, aby nie zakładać, że każdy obiektyw wymaga konstrukcji atermicznej. Odpowiednie rozwiązanie zależy od zastosowania, dopuszczalnej zmienności wydajności i ogólnych wymagań systemowych.

6. Kiedy wybrać niestandardową soczewkę?

Nie każdy projekt kamery wymaga nowej konstrukcji optycznej.

Standardowy obiektyw może być najbardziej ekonomicznym i praktycznym wyborem, jeśli spełnia już wymagania dotyczące czujnika, pola widzenia, mechaniczne i środowiskowe.

Rozwój niestandardowy staje się wart rozważenia, gdy istniejące produkty nie mogą spełnić jednego lub więcej ważnych ograniczeń.

Typowe powody to:

Niestandardowa średnica soczewki lub całkowita długość ścieżki

Określone pole widzenia w ograniczonej obwiedni mechanicznej

Specjalne wymagania dotyczące długości fali lub filtrowania

Wysokie wymagania dotyczące jakości obrazu w całym polu obrazu

Warunki środowiskowe specyficzne dla zastosowania

Wymagania integracyjne, których nie są w stanie spełnić standardowe obiektywy

Jest jeszcze aspekt komercyjny.

Projekt niestandardowy może obejmować dodatkowe prace inżynieryjne, narzędziowe, testowe i kwalifikacyjne. Jego przydatność zależy zatem od oczekiwanej wielkości produkcji, docelowego kosztu, harmonogramu rozwoju i wartości spełnienia określonych wymagań.

Najlepszym punktem wyjścia jest zdefiniowanie wymaganego wyniku i porównanie możliwych opcji – nie zakładaj, że niestandardowe jest zawsze lepsze od standardowego.

7. Oceń obiektyw jako część kompletnego systemu obrazowania

Zanim dopuścisz obiektyw do masowej produkcji, zastanów się, jak radzi sobie on w zamierzonej konfiguracji aparatu.

Przydatny proces oceny obejmuje:

Najpierw potwierdź zgodność.

Sprawdź czujnik, pole widzenia, mocowanie, wymiary mechaniczne i wymagania spektralne.

Po drugie, przetestuj reprezentatywne próbki. 

Oceń obrazy przy zamierzonej odległości roboczej, przysłonie, oświetleniu i odpowiednich pozycjach pola.

Po trzecie, sprawdź ważne kryteria wydajności. 

Mogą one obejmować szczegóły obrazu, zniekształcenia, jasność narożników, stabilność ostrości lub inne wymagania specyficzne dla aplikacji.

Na koniec ustal kryteria akceptacji produkcji. 

Po zatwierdzeniu próbki należy udokumentować odpowiednie specyfikacje i warunki testów, aby można było spójnie ocenić przyszłe partie produkcyjne.

Dokładny proces będzie się różnić w zależności od aplikacji. Kompaktowy obiektyw do monitoringu i specjalistyczny obiektyw do obrazowania medycznego niekoniecznie wymagają tej samej procedury kwalifikacyjnej.

Ważne jest, aby kryteria akceptacji odzwierciedlały sposób, w jaki aparat będzie faktycznie używany.

Budowa lepszego aparatu zaczyna się od lepszej integracji optycznej

W Boshi Optics, części Shanghai Silk Optical Technology Co., Ltd., zajmujemy się projektowaniem, rozwojem i produkcją soczewek optycznych do zastosowań obejmujących bezpieczeństwo, obrazowanie samochodowe, drony, endoskopy medyczne i inne systemy obrazowania.

W przypadku projektów o specyficznych wymaganiach najbardziej produktywne dyskusje rozpoczynają się od kompletnego zastosowania: czujnika, docelowego pola widzenia, odległości roboczej, dostępnej przestrzeni mechanicznej, warunków oświetleniowych, środowiska operacyjnego i oczekiwanej wielkości produkcji.

Szczegóły te pomagają określić, czy istniejący obiektyw jest odpowiedni lub czy niestandardowe rozwiązanie zasługuje na dalszą ocenę.

Jeśli tworzysz nową kamerę lub masz problemy z jakością obrazu w istniejącym module, udostępnij szczegóły swojej aplikacji firmie Boshi Optics.

Nasz zespół może przejrzeć dostępne wymagania i omówić potencjalne opcje soczewek, możliwości dostosowania oraz kolejne kroki w kierunku oceny próbki.

Udany projekt obiektywu nie zaczyna się od najdłuższej karty specyfikacji. Zaczyna się od zrozumienia, co aparat musi osiągnąć.

Zapoznaj się z naszymi niestandardowymi rozwiązaniami optycznymi lub skontaktuj się z Boshi Optics za pośrednictwem naszegooficjalna strona internetowaaby omówić Twój projekt.