Ottica

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.

ELEMENTI PER LA SCELTA DI UN’OTTICA

Area inquadrata (FOV).
Distanza di lavoro (distanza dell’oggetto dalla telecamera).
Dimensioni del sensore della telecamera e dei pixel.
Profondità di campo (DOF).
Risoluzione (MTF). Tenere conto delle distorsioni lungo i bordi.
Eventuali ombre lungo i bordi possono costituire un problema.

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..

LUNGHEZZA FOCALE

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.

ATTACCHI PER OTTICHE

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.

TUBI DI ESTENSIONE

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.

Qualsiasi ottica dotata di tubi di estensione non potrà più mettere a fuoco all’infinito .
La sensibilità della telecamera viene ridotta, poiché la luce deve passare attraverso un cilindro prima di raggiungere il sensore della telecamera.
La profondità di campo viene ridotta, in alcuni casi drasticamente.

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.

APERTURA RELATIVA

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).

PROFONDITÀ DI CAMPO

La profondità di campo (o profondità di messa a fuoco) definisce il campo entro cui un oggetto può essere posizionato rispetto alla telecamera restando sempre nitido e a fuoco. Il valore è una funzione di molti parametri, principalmente le dimensioni dell’iride del diaframma.

Tanto più chiuso è il diaframma, tanto maggiore sarà la profondità di campo. Teoricamente, una telecamera con un’apertura infinitamente piccola ha una profondità di campo infinita, ma richiede una quantità di luce infinita. Nella pratica, si deve sempre trovare il giusto compromesso fra luce e apertura del diaframma per ottenere una profondità di campo accettabile.

CAMPO DI VISTA O INGRANDIMENTO

L’ingrandimento di un’ottica è il rapporto fra le dimensioni dell’immagine e le dimensioni dell’oggetto.

Questo valore viene usato per classificare le ottiche macro e microscopiche, ma può essere riferito all’ingrandimento di qualsiasi tipo di ottica, poiché determina il campo di vista (FOV) di una telecamera. L’ingrandimento è una funzione delle caratteristiche dell’ottica e della distanza dell’oggetto. Fare riferimento al diagramma successivo per calcolare il rapporto fra FOV, distanza di lavoro e lunghezza focale dell’ottica.

lunghezza focale = distanza ottica-oggetto * altezza sensore / altezza FOV

DIMENSIONI DEL SENSORE

Le dimensioni dei sensori delle telecamere sono indicate in unità imperiali, ma non corrispondono esattamente alle dimensioni fi siche reali del sensore, in quanto si tratta di “formati” ereditati dall’era pre-digitale quando molte telecamere utilizzavano tubi a vuoto.

CAPACITÀ DI RISOLUZIONE DELL’OTTICA:

FUNZIONE DI TRASFERIMENTO DELLA MODULAZIONE (MTF)

L’ottica ideale dovrebbe produrre un’immagine che corrisponde perfettamente all’oggetto, completa di tutti i dettagli, le variazioni di luminosità e senza produrre distorsioni. Nella pratica ciò non è possibile, poiché tutte le ottiche hanno un effetto di filtro passa-basso. L’attenuazione di una data frequenza (o dettaglio) viene classificata come funzione di trasferimento della modulazione (MTF), che fornisce un’indicazione dell’efficienza di trasferimento dell’ottica. In breve, le strutture più grandi, ad esempio linee ben distanziate, vengono generalmente trasferite con un contrasto relativamente buono. Le strutture più piccole, come le linee fitte e sottili, non vengono trasferite altrettanto bene.

Per qualsiasi ottica, all’aumentare della frequenza spaziale, esiste un punto in cui la modulazione è pari a zero. In termini semplici, questo limite viene definito limite di risoluzione, o capacità di risoluzione dell’ottica, e viene normalmente indicato in coppie di linee per millimetro (lp/mm) oppure, nel caso di alcune ottiche macro, come dimensione minima della linea in μm.

Il diagramma seguente illustra il modo in cui l’MTF dell’ottica influisce sull’immagine proiettata sul sensore.

Esistono altri fattori da considerare, ad esempio il fatto che l’MTF peggiora allontanandosi dall’asse centrale dell’ottica verso i bordi del sensore. Questo deterioramento può essere nell’ordine delle due o tre volte, pertanto è importante valutare se è necessario avere una risoluzione costante su tutta l’immagine e si possono accettare distorsioni dell’oggetto inquadrato ai bordi dell’immagine. La capacità di risoluzione delle ottiche è di grande importanza nella visione industriale. Il fattore più importante da valutare per l’abbinamento di un’ottica e una telecamera digitale è che la prima sia in grado di gestire una risoluzione fi no ai singoli pixel del sensore della telecamera. La dimensione del pixel varia da telecamera a telecamera, in base alla risoluzione del sensore (numero di pixel) e alle sue dimensioni. Più piccoli sono i pixel, maggior sarà la risoluzione richiesta all’ottica. La risoluzione ottica richiesta può essere calcolata attraverso la formula seguente:

Risoluzione richiesta dell’ottica (lp/mm) = 500 / dimensioni pixel CCD (μm)

È importante considerare il sistema nel suo insieme quando si specifica la risoluzione. Molte telecamere megapixel moderne usano sensori di piccole dimensioni per ridurre i costi. Questi sensori hanno però pixel molto piccoli e, pertanto, hanno bisogno di ottiche di qualità superiore, quindi più costose, per compensare la minor dimensione dei pixel. A volte può essere vantaggioso scegliere una telecamera megapixel più costosa, con pixel più grandi, che richiede ottiche meno sofisticate.

Questa soluzione può avere un costo complessivo più basso.

Occorre inoltre valutare il modo in cui la risoluzione di ottica/telecamera influisce sul contenuto informativo dell’immagine generata, e pertanto sul tipo di elaborazione necessaria per l’immagine. Ad esempio, una telecamera con un numero maggiore di pixel produce un’immagine più grandee quindi richiede maggiore tempo di elaborazione a parità di algoritmi. Ma se l’ottica non arriva alla risoluzione dei singoli pixel, questa elaborazione aggiuntiva non genera alcuna informazione supplementare.

UNIFORMITÀ RELATIVA DELL’ILLUMINAZIONE (VIGNETTATURA)

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.

DISTORSIONE

Il termine “distorsione” indica un’alterazione nella rappresentazione geometrica di un oggetto sul piano dell’immagine. Ad esempio, un rettangolo può assumere la forma di un “cuscino” o di un “barile”. La prima è una distorsione di tipo “positivo”, la seconda è di tipo “negativo”. La distorsione dell’immagine può causare seri problemi nella visione industriale. Se infatti è necessario effettuare delle misure sull’oggetto, è fondamentale che l’immagine sia una riproduzione fedele dell’oggetto stesso. A volte è possibile realizzare una piccola correzione della distorsione attraverso algoritmi di compensazione che sono però costosi dal punto di vista computazionale. Pertanto è molto importante valutare le proprietà di distorsione di un’ottica prima di adottarla nel proprio sistema di visione. Normalmente la distorsione viene indicata con una percentuale.

La distorsione dell’ottica è causata dalla rifrazione della luce nel vetro della lente. Poiché le lenti non sono composte da un vetro con spessore uniforme e le superfici non sono piatte, la rifrazione varia nelle diverse aree della lente, raggiungendo solitamente i livelli massimi lungo i bordi. L’effetto è particolarmente evidente negli obiettivi a grandangolo (con lunghezza focale corta), che possono presentare distorsioni periferiche notevoli. Nelle ottiche di alta qualità la distorsione viene limitata attraverso l’uso di lenti multistadio, anche se non esiste un’alternativa ai grandangoli per applicazioni di misura.

ABERRAZIONE SFERICA

L’aberrazione sferica è un tipo di distorsione che si verifi ca nelle ottiche provviste di lenti sferiche. Le lenti sferiche non focalizzano la luce in un unico punto, ma la diffondono, creando un’immagine che appare sfuocata. Questo problema può essere risolto con l’uso di lenti asferiche che focalizzano la luce correttamente. L’immagine seguente illustra il principio di funzionamento delle lenti asferiche.