Per proiettare l’immagine corretta sul sensore, la telecamera richiede un’ottica adeguata. Non tutte le ottiche hanno la stessa qualità e molte non sono adatte alla visione industriale. La qualità dell’ottica diventa fondamentale quando sono necessarie immagini ad alta risoluzione, in particolare nelle applicazioni industriali e scientifiche che effettuano misurazioni, riconoscimenti o comparazioni geometriche. La qualità degli elementi di vetro interni di un’ottica è determinante per la bontà dell’immagine prodotta.
Nella maggior parte delle applicazioni di visione si impiegano ottiche a lunghezza focale fissa mentre le ottiche con zoom (motorizzato o manuale) sono poco utilizzate in quanto le parti mobili rendono difficile, se non addirittura impossibile, ottenere misure ripetibili. Le ottiche a fuoco fisso sono inoltre ideali per le applicazioni di visione in quanto i pezzi vengono solitamente presentati alla telecamera in una posizione sostanzialmente invariabile e ad una distanza fissa dalla telecamera.Esistono molti produttori di ottiche che forniscono diversi tipi di obiettivi.
Per rispondere a queste domande, è importante avere una conoscenza di base sui principi di ottica e sulle loro applicazioni nella visione industriale. Le ottiche standard vengono generalmente classificate in base a lunghezza focale e diaframma, anche se esistono altre caratteristiche importanti che devono essere valutate nella scelta di un’ottica..
La maggior parte delle ottiche è provvista di una ghiera per la regolazione della messa a fuoco. Questa ghiera in realtà non modifica la distanza focale, bensì regola il “back focus” (la distanza effettiva fra il sensore e il piano focale della lente), permettendo di mettere a fuoco oggetti a varie distanze. Il montaggio dell’ottica rispetto al piano dell’immagine (sensore) è determinante ed esistono diversi sistemi di riferimento per garantire il corretto posizionamento dell’ottica.
Ogni standard prevede una determinata posizione del sensore (piano dell’immagine) rispetto all’attacco dell’ottica: tale posizione viene definita come distanza focale della flangia. La lunghezza focale f di un’ottica è la misura (solitamente in mm) della distanza fra il centro ottico dell’obiettivo e il piano dell’immagine. La luce che parte da un oggetto all’infinito interseca l’asse ottico dell’obiettivo nel punto focale f. Nelle telecamere per sistemi di visione, come in qualsiasi telecamera, il sensore coincide con il piano dell’immagine (punto focale) dell’ottica.
Lo standard più diffuso per le telecamere industriali è l’attacco passo C, ma esistono altri tipi di attacchi, come ad esempio il passo CS usato principalmente nei sistemi TV a circuito chiuso (CCTV). Per telecamere con sensori più grandi e telecamere lineari ad alta risoluzione si utilizzano principalmente attacchi passo F (standard Nikon), 42 mm, 58 mm e 72 mm. Le figure seguenti mostrano le differenze fra i diversi tipi di attacchi. È importante notare come sia possibile montare un’ottica con attacco C su una telecamera con attacco CS, aggiungendo un tubo di estensione di 5 mm. Al contrario, montando un’ottica con attacco CS su una telecamera con attacco C non sarà possibile regolare la messa a fuoco..
ATTACCO PASSO C
È il tipo di attacco più diffuso nelle applicazioni di visione industriale, con una vasta gamma di ottiche e accessori disponibili.
ATTACCO PASSO CS
È essenzialmente uguale all’attacco passo C, ma con una lunghezza focale di flangia più corta (di 5 mm). Viene utilizzato prevalentemente in applicazioni in spazi ridotti dove servono telecamere quanto più possibile compatte.
ATTACCO PASSO F
È il sistema di attacco delle telecamere SLR della Nikon. In virtù del suo formato grande, viene normalmente utilizzato con telecamere lineari e ad alta risoluzione
ATTACCO DA 42, 58 E 72
Gli attacchi da 42, 58 e 72 mm sono meno diffusi degli altri e vengono utilizzati prevalentemente per applicazioni lineari o ad altissima risoluzione.
Le ottiche standard sono generalmente progettate per mettere a fuoco oggetti da infinito a una distanza minima di messa a fuoco (MOD), normalmente limitata dalla corsa meccanica della lente. È possibile ridurre il valore della distanza MOD mediante l’uso di tubi di estensione che vengono interposti fra la telecamera e l’ottica, aumentando così la lunghezza focale di flangia. Questo metodo viene utilizzato anche per restringere il campo di vista (FOV) di un’ottica.
I tubi di estensione possono essere montati su ottiche standard per ottenere un campo di vista specifico, ma l’operazione determina una serie di alterazioni.
I tubi di estensione sono molto utili ma devono essere usati solo se necessario. È preferibile scegliere ottiche di qualità superiore studiate per lavorare a distanze più ridotte, evitando così di degradare l’immagine.
L’apertura relativa di un’ottica (indicata anche come f-stop o f-number) indica la quantità di luce massima che può passare attraverso l’ottica. Il numero f di un’ottica viene definito come il rapporto fra la lunghezza focale dell’ottica e il diametro di apertura massima del diaframma, regolato attraverso un’iride all’interno dell’ottica. In pratica, tanto più ampio è il diametro fisico della combinazione ottica/iride, tanto più piccolo è il valore f, e tanto più grande sarà la quantità di luce che passa attraverso l’ottica: il risultato è quello di poter lavorare con minore quantità di luce. Le ottiche con numeri f molto bassi sono costituite da lenti grandi e quindi costose.
L’iride regolabile all’interno delle ottiche prevede normalmente incrementi fissi di 1.0, 1.4, 2.0, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22. Ogni incremento rappresenta una riduzione della quantità di luce che passa attraverso l’ottica pari al 50%.
Le ottiche vengono classificate in base alla loro apertura massima (cioè il valore f più piccolo).
Tutte le immagini acquisite con ottiche presentano una variazione di intensità dal centro verso la periferia. Poiché questo fenomeno può influire sull’idoneità di un’ottica per una determinata applicazione, spesso è necessario analizzare le prestazioni dell’ottica in relazione a questo effetto, detto vignettatura.
La vignettatura è causata dalle parti meccaniche interne dell’ottica che bloccano i raggi luminosi; le ottiche di alta qualità sono meno soggette alla vignettatura. Come mostra l’immagine a fianco, gli effetti della vignettatura possono essere ridotti usando un’ottica più grande, in modo tale che questo effetto venga proiettato al di fuori dell’area del sensore.