Selezione dell'obiettivo della propria telecamera

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Attacco obiettivo fotocamera

È necessario selezionare un obiettivo compatibile con l’attacco dell'obiettivo della fotocamera. La maggior parte delle telecamere FLIR per la visione a macchina è dotata di un attacco C o CS. Forniamo anche distanziatori per attacchi da C a CS di 5 mm, attacchi per obiettivi M12 e adattatori da CS a M12.

Distanza posteriore flangia su fotocamere con attacco C e CS

Gli obiettivi con attacco C e CS sono entrambi attacchi filettati presenti sulla maggior parte delle fotocamere e degli obiettivi CCD industriali. La differenza tra apparecchiature con attacco C e CS è la distanza tra la flangia dell'obiettivo (la parte della custodia adiacente alla fotocamera) e il piano focale dell'obiettivo (dove deve essere posizionato il sensore CCD). Questa è nota come distanza posteriore della flangia.

Schema di un tipico obiettivo con attacco C o CS

La specifica dell'obiettivo con attacco C per la distanza posteriore della flangia è di 17,53 mm, mentre sugli obiettivi con attacco CS è di 12,53 mm. Sulle fotocamere FLIR, tuttavia, queste distanze fisiche sono sfalsate a causa della presenza di un filtro di taglio a infrarossi (IRC) da 1 mm e di una finestra di 0,5 mm per l’intervallo del gruppo sensore. Questi due pezzi di vetro si adattano tra l'obiettivo e il piano di immagine del sensore. Il filtro IRC è installato da FLIR su telecamere a colori; nelle telecamere monocromatiche, l'IRC viene sostituito da una finestra in vetro trasparente. La finestra del gruppo sensore è installata dal produttore del sensore. La rifrazione di questi componenti in vetro richiede una compensazione nella distanza posteriore della flangia rispetto ai valori nominali.

Se si dispone di una fotocamera con attacco CS e di un obiettivo con attacco C, è possibile aggiungere un distanziatore da 5 mm per ottenere la messa a fuoco corretta. Se, tuttavia, si dispone di una fotocamera con attacco C e di un obiettivo con attacco CS, non è possibile ottenere la messa a fuoco corretta.

Compatibilità con microlenti M12

L'ottica M12 (talvolta chiamata attacco S) è spesso un'alternativa popolare all'ottica con attacco C o CS grazie alle dimensioni ridotte e al c-metallo inferiore), agli obiettivi, a un adattatore da CS a M12 e ad alcune fotocamere con attacco dell’obiettivo M12 preinstallato.

Il portaobiettivi M12 in metallo fuso di FLIR è realizzato in lega di zinco ed è progettato per adattarsi a sensori di formato più grande come Sony ICX445 CCD e Sony IMX035 CMOS. Le caratteristiche aggiuntive includono una vite di fissaggio per la regolazione della distanza focale posteriore, perni di riferimento per un allineamento preciso del portaobiettivo alla scheda circuiti della fotocamera e un filtro IRC.

FLIR dispone anche di un adattatore per obiettivi con attacco da CS a M12, utile per fissare gli obiettivi M12 a una fotocamera dotata di portaobiettivi con attacco CS.

Potrebbero esserci alcuni problemi di compatibilità con particolari obiettivi M12 grandangolari (lunghezza focale corta). I problemi di compatibilità sono principalmente il risultato di differenze di lunghezza focale posteriore, come spiegato di seguito.

La distanza necessaria per la messa a fuoco dell'obiettivo è maggiore della lunghezza del supporto dell'obiettivo, richiedendo che l'obiettivo sia scollegato dal supporto per poter essere messo a fuoco.
La distanza richiesta per la messa a fuoco dell'obiettivo è inferiore alla lunghezza del supporto dell'obiettivo. L'immagine è non ancora messa a fuoco anche con l'obiettivo avvitato completamente nel portaobiettivo.
Il micro-obiettivo potrebbe imbattersi nel filtro IR prima di poter entrare a fuoco.
Il micro-obiettivo può essere a fuoco, ma è troppo corto per essere fissato in posizione dalla vite di fermo dell’obiettivo.

Lunghezza focale dell’obiettivo

Un'altra considerazione importante nella scelta di un obiettivo è la sua lunghezza focale. Un obiettivo con una lunghezza focale approssimativamente uguale alla dimensione diagonale del formato del sensore riproduce una prospettiva che generalmente appare normale all'occhio umano. Gli obiettivi con lunghezze focali più corte rispetto a quelle normali, detti anche obiettivi ‘grandangolari’ possono catturare un campo visivo più ampio. Gli obiettivi con lunghezze focali più lunghe del normale, o ‘teleobiettivi’, catturano un campo visivo più piccolo. Pertanto, quando si considera la lunghezza focale, è necessario considerare la dimensione del sensore, il campo visivo che si desidera catturare e approssimativamente la distanza dal soggetto in cui si trova l'obiettivo, nota anche come ‘distanza di lavoro’.

Il punto focale è la posizione sull'asse ottico in cui tutti i raggi in entrata che sono paralleli all'asse ottico si intersecano. La messa a fuoco si ottiene quando tutti i raggi originano dallo stesso punto sulla scena di rifrazione, in modo che si intersechino esattamente nello stesso punto sul piano dell'immagine. Questo concetto è illustrato nel diagramma seguente. Notare che con un obiettivo simmetrico, i punti focali F e F’ sono equidistanti dall'obiettivo. Un raggio che passa attraverso i rifratti F in modo che sia parallelo all'asse ottico prima che colpisca il piano dell'immagine.

La relazione tra la lunghezza focale, la distanza di lavoro e la distanza dell'immagine è data dalla formula dell'obiettivo gaussiano:

In molte applicazioni di imaging, la distanza di lavoro è considerevolmente maggiore della distanza dell'immagine. In questo caso, possiamo approssimare l’equazione di cui sopra come:

Vediamo che la distanza dell'immagine è approssimativamente uguale alla lunghezza focale. Di seguito è riportato un diagramma semplificato dei raggi per questo caso, in cui vengono tracciati solo i raggi principali dai bordi del sensore. Questi raggi passano attraverso il centro dell’obiettivo senza cambiare direzione.

Il valore approssimativo della lunghezza focale in questo caso è dato da:

Per le applicazioni di primo piano, come la fotografia macro, in cui la distanza di lavoro non è significativamente maggiore della lunghezza focale, non è possibile approssimare la distanza dell'immagine in modo che sia la lunghezza focale. La forma più accurata dell'equazione di cui sopra (applicabile sia per le distanze di lavoro vicine e lontane) è data da:

Molti produttori di obiettivi forniscono calcolatori per la selezione degli obiettivi sui loro siti web che producono una lunghezza focale consigliata in base alla forma approssimativa dell'equazione della lunghezza focale. In caso di dubbio, il calcolo è semplice e può essere eseguito manualmente con la conoscenza delle dimensioni del sensore. Le dimensioni del sensore sono generalmente fornite in unità frazionarie di un pollice che, per motivi storici, non possono essere direttamente scalate nelle dimensioni effettive dell'area di imaging effettiva del sensore. La tabella seguente fornisce un elenco di larghezze, altezze e diagonali di diverse dimensioni standard del sensore.

Ad esempio, si consideri un'applicazione che utilizza un sensore da 1/2”, una distanza di lavoro di 100 mm e un campo visivo orizzontale di 50 mm. Guardando la tabella, il sensore da 1/2” ha una larghezza di 6,4 mm, un'altezza di 4,8 mm e una diagonale di 8 mm. Per ottenere il campo visivo orizzontale specificato, utilizziamo:

o usando l'equazione esatta:

Il risultato è una lunghezza focale di 11,3 mm con la formula esatta e di 12,8 mm con la formula approssimativa. Questa discrepanza aumenta man mano che la distanza di lavoro diminuisce rispetto alla lunghezza focale.

Una volta scelta la lunghezza focale che meglio soddisfa le proprie esigenze, potrebbe essere necessario regolare la distanza di lavoro per ottenere il campo visivo desiderato. Inoltre, tenere presente che gli obiettivi con lunghezze focali più corte spesso presentano una distorsione pronunciata. La quantità effettiva di distorsione dipende dall'obiettivo specifico utilizzato e può avere un notevole impatto sul campo visivo effettivo. Le equazioni di cui sopra ignorano la distorsione. Se la distorsione dell'obiettivo è elevata (ad esempio > 10%), le equazioni di cui sopra sono imprecise per prevedere la lunghezza focale e devono essere utilizzate solo come punto di partenza. È necessario consultare la scheda tecnica dell’obiettivo. In genere, per ogni formato di sensore supportato dall'obiettivo viene specificato un campo visivo angolare per gli obiettivi grandangolari e fisheye. Questo campo visivo angolare deve essere utilizzato per calcolare la distanza di lavoro per un determinato campo visivo in unità di distanza.

Dimensioni del sensore

Quando si acquista un obiettivo, assicurarsi che sia compatibile con le dimensioni ottiche del sensore di immagine (ad esempio, 1/3", 2/3" e così via) utilizzato nella fotocamera. L'obiettivo deve essere in grado di proiettare un'immagine che copra l'intero sensore. Un obiettivo realizzato per un sensore di formato più grande, ad esempio 2/3", può essere solitamente utilizzato con un sensore di formato più piccolo, ad esempio 1/3", anche se potrebbe esserci una perdita di risoluzione (vedere di seguito).

Un obiettivo realizzato per un sensore più piccolo, ad esempio 1/3”, non può essere utilizzato con un sensore più grande, ad esempio 1/2”, perché molto probabilmente l'obiettivo non proietta un'immagine sufficientemente grande da coprire l'intero sensore che causa la vignettatura. In questo caso, gli angoli dell'immagine possono apparire sfocati, scuri o persino completamente neri.

La tabella seguente mostra la larghezza approssimativa (W), l'altezza (H) e la diagonale (D) dell'area attiva per sensori di dimensioni diverse e i fattori di ritaglio associati all'uso di un determinato obiettivo su un sensore più piccolo. Ad esempio, supponiamo di avere un obiettivo da 6 mm abbinato a un sensore da 1/3” e di voler sapere quale obiettivo raggiunge lo stesso campo visivo su un sensore da 1/4”. Il fattore di ritaglio del sensore 1/3” relativo al sensore 1/4” è pari a 1,33. Quindi si seleziona una lunghezza focale di 6 mm/1,33 = 4,5 mm.

Risoluzione spaziale del sensore e obiettivi Megapixel

Un altro fattore importante quando si seleziona un obiettivo è il numero di pixel relativi all'area totale del sensore. Questa misurazione è generalmente inversamente proporzionale alla dimensione dei pixel (cellula unitaria): più alto è il numero di pixel, più piccoli sono i singoli pixel e più vicini sono. A sua volta, minore è la distanza dei pixel su un sensore, migliore è la sua capacità di registrare (campionare) piccoli dettagli. Questa capacità viene definita frequenza spaziale o risoluzione spaziale. I sensori ad alta densità richiedono obiettivi megapixel (MP) costruiti con componenti ottici di qualità superiore in grado di proiettare immagini a una risoluzione uguale o superiore a quella del sensore.

La tabella seguente mostra un esempio di sensori utilizzati nelle fotocamere FLIR e indica se utilizzare un obiettivo MP. È consigliabile utilizzare un obiettivo MP con sensore megapixel. Per i sensori multi-megapixel, il valore nominale MP dell'obiettivo deve corrispondere o superare il numero MP del sensore. L'utilizzo di un obiettivo normale su un sensore megapixel può causare immagini sfocate, poiché l'obiettivo potrebbe non fornire una risoluzione sufficientemente elevata per il sensore. Anche se è accettabile utilizzare un obiettivo MP con un sensore senza megapixel, potrebbe essere poco pratico dal punto di vista del rapporto costi-benefici.

Idealmente, il formato dell'obiettivo dovrebbe essere abbinato al formato del sensore per ottenere le migliori prestazioni. Ad esempio, un obiettivo da 1 MP con formato da 2/3” su un sensore da 1 MP di 1/3” probabilmente ha prestazioni inferiori in termini di risoluzione, perché il sensore cattura solo una frazione del dettaglio totale prodotto dall'obiettivo. L'obiettivo 1 MP da 1/3”, grazie all'area del sensore più piccola, offre una risoluzione più elevata rispetto a 1 MP da 2/3” per catturare lo stesso contenuto di immagine da 1 MP. La risoluzione spaziale del sensore viene misurata in coppie di linee per millimetro (lpm o lp/mm), che indica le dimensioni più piccole di coppie ripetute di barre bianche/nere che un sensore può risolvere. Un sensore da 1/3" da 1,3 MP, come Sony ICX445 con una dimensione in pixel di soli 3,75 micrometri, può risolvere circa 133 lpm (1/3,75 µm x 1/2 x 1000 µm/mm). Gli obiettivi MP possono proiettare immagini con un livello di dettaglio maggiore per sfruttare la maggiore densità di pixel dei sensori megapixel di piccolo formato come Sony ICX445 (1/3" 1,3 MP) o Sony ICX655 (2/3" 5 MP).

La risoluzione di un obiettivo viene generalmente misurata mediante gruppi di immagini di barre bianche e nere con diversi passi (lpm). La risoluzione dell'obiettivo è considerata il passo più piccolo (al sensore) che può essere risolto esattamente. Questa risoluzione viene quindi moltiplicata per 2 (per convertire le coppie di linee in linee) e poi moltiplicata per le dimensioni del sensore per determinare la classificazione MP per l'obiettivo. Ci sono alcune insidie con questo tipo di misurazione. In primo luogo, la risoluzione dell'obiettivo varia nel campo visivo (in genere il valore più alto vicino al centro dell'immagine) e quindi i dettagli relativi al punto in cui viene misurata la risoluzione hanno un grande impatto sulla classificazione MP. Una seconda insidia sta nella percezione di una risoluzione “appena risolta” in quanto può differire da un tester all’altro. Inoltre, due obiettivi possono risolvere solo 133 lpm e quindi avere la stessa classificazione MP, ma ciò non garantisce che forniscano lo stesso contrasto, per es., a 60 lpm. La classificazione MP quindi non sempre racconta l’intera storia.

Una misura più sistematica della risoluzione dell’obiettivo è la funzione di trasferimento della modulazione (MTF). L’MTF misura l’ampiezza (contrasto) di un’immagine di uno schema sinusoidale* che scorre uniformemente tra il bianco e il nero, a una data frequenza spaziale in cicli/mm (ci/mm, anche se talvolta chiamato lp/mm o lpm). Maggiore è la frequenza spaziale di tale schema, più è probabile che l'immagine si sfochi in un grigio uniforme. La “risoluzione” nominale di questa misurazione è la frequenza alla quale il contrasto scende a una percentuale di contrasto a bassa frequenza, analoga alla larghezza di banda di un circuito elettrico. Questo è tipicamente espresso come MTF50 (50% del contrasto a bassa frequenza) o MTF30 (30% del contrasto a bassa frequenza). A volte viene utilizzato anche MTF10 e ha un'equivalenza approssimativa alla risoluzione “appena risolta” ottenuta dai modelli a barre (vedere sopra). Deve essere usata cautela con MTF10 in quanto è difficile misurarlo in modo affidabile. Un'altra metrica è misurare il contrasto per un insieme limitato di frequenze specifiche, spesso mostrate come funzione della posizione radiale nell'immagine. Anche se i dati MTF possono fornire informazioni molto più dettagliate sulla qualità degli obiettivi rispetto a una semplice classificazione MP, l'interpretazione è più complessa e i dati potrebbero non essere sempre disponibili.

*Le misurazioni MTF possono anche essere eseguite con altri metodi, come l'analisi del margine inclinato e del punto.

Altre risorse