Como selecionar lentes para a sua câmera

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Encaixe da lente da câmera

Deve-se selecionar uma lente que seja compatível com o encaixe da lente da câmera. A maioria das câmeras de visão de máquina FLIR são equipadas com um encaixe C ou CS. Também fornecemos espaçadores de encaixe C-para-CS de 5 mm, encaixes de lente M12 e adaptadores CS-para-M12.

Distância traseira do flange em câmeras com encaixe C e CS

As lentes de encaixe C e CS têm encaixes de lente rosqueados encontrados na maioria das câmeras e lentes CCD industriais. A diferença entre os equipamentos com encaixes C e CS é a distância entre o flange da lente (a parte do estojo que se sobrepõe à câmera) e o plano focal da lente (onde o sensor CCD deve ser posicionado). Isso é conhecido como distância traseira do flange.

Diagrama de lentes típicas com encaixe C ou CS

A especificação da lente com encaixe C para distância traseira do flange é de 17,53 mm e em lentes com encaixe CS é de 12,53 mm. No entanto, em câmeras FLIR, essas distâncias físicas são deslocadas devido à presença de um filtro de corte infravermelho (IRC) de 1 mm e uma janela de pacote de sensor de 0,5 mm. Essas duas peças de vidro se encaixam entre a lente e o plano da imagem do sensor. O filtro IRC é instalado pela FLIR em câmeras coloridas; nas câmeras monocromáticas, o IRC é substituído por uma janela de vidro transparente. A janela do pacote do sensor é instalada pelo fabricante do sensor. A refração desses componentes de vidro requer um deslocamento na distância traseira do flange em relação aos valores nominais.

Se você tiver uma câmera com encaixe CS e uma lente com encaixe C, você pode adicionar um espaçador de 5 mm para obter o foco correto. Se, no entanto, você tiver uma câmera com encaixe C e uma lente com encaixe CS, o foco correto não pode ser alcançado.

Compatibilidade com microlentes M12

A óptica M12 (algumas vezes chamada de encaixe S) é frequentemente uma alternativa popular para a óptica de encaixe C ou CS devido ao seu tamanho menor e metal c inferior), lentes, um adaptador CS-para-M12 e algumas câmeras com encaixe de lente M12 pré-instaladas.

O suporte de lente M12 de metal fundido da FLIR é feito de liga de zinco e é desenvolvido para se encaixar em sensores de formato maior, como o Sony ICX445 CCD e o Sony IMX035 CMOS. Os recursos adicionais incluem um parafuso de ajuste para ajustar a distância focal traseira, pinos de cavilha para alinhamento preciso do suporte da lente com a placa de circuito da câmera e um filtro IRC.

A FLIR também tem disponível um adaptador de lente CS-para-M12, que é útil para fixar lentes M12 a uma câmera equipada com um suporte de lente com encaixe CS.

Pode haver alguns problemas de compatibilidade com lentes M12 de ângulo amplo (comprimento focal curto) específicas. Problemas de compatibilidade são resultado principalmente de diferenças no comprimento focal traseiro, conforme explicado abaixo.

A distância necessária para que a lente esteja em foco é maior do que o comprimento do suporte da lente, exigindo que a lente seja desanexada do suporte para que fique em foco.
A distância necessária para que a lente esteja em foco é menor do que o comprimento do suporte da lente. A imagem ainda está desfocada, mesmo com a lente aparafusada até o fim no suporte da lente.
A microlente pode encontrar o filtro de IV antes de poder focar.
A microlente pode estar em foco, mas é muito curta para ser fixada no lugar pelo parafuso de ajuste da lente.

Comprimento Focal da Lente

Outra consideração importante ao selecionar uma lente é o comprimento focal dela. Uma lente com um comprimento focal aproximadamente igual ao tamanho diagonal do formato do sensor reproduz uma perspectiva que geralmente parece normal para o olho humano. Lentes com comprimentos focais mais curtos do que o normal, também chamadas de lentes ‘grande angular’, podem capturar um campo de visão maior. Lentes com comprimentos focais maiores que o normal, ou lentes ‘telefoto’, capturam um campo de visão menor. Portanto, ao considerar o comprimento focal, você deve considerar o tamanho do sensor, o campo de visão que deseja capturar e aproximadamente a distância do objeto que a lente está localizada, também conhecida como ‘distância de trabalho’.

O ponto focal é a posição no eixo óptico onde todos os raios de entrada que são paralelos ao eixo óptico se cruzam. O foco é alcançado quando todos os raios originados do mesmo ponto na refração da cena se cruzam exatamente no mesmo ponto no plano da imagem. Este conceito está ilustrado no diagrama abaixo. Observe que, com uma lente simétrica, os pontos focais F e F’ estão equidistantes da lente. Um raio que passa através de F refrata de modo que fique paralelo ao eixo óptico antes de atingir o plano da imagem.

A relação entre o comprimento focal, a distância de trabalho e a distância da imagem é dada pela fórmula de Gauss para as lentes.

Em muitas aplicações de imagens, a distância de trabalho é consideravelmente maior do que a distância da imagem. Neste caso, podemos aproximar a equação acima como:

Vemos que a distância da imagem é aproximadamente igual ao comprimento focal. Um diagrama de raio simplificado para este caso é mostrado abaixo, em que somente os raios principais das bordas do sensor são desenhados. Esses raios passam pelo centro da lente sem uma mudança de direção.

O valor aproximado do comprimento focal neste caso é dado por:

Para aplicações de close-up, como fotografia macro, em que a distância de trabalho não é significativamente maior do que o comprimento focal, não podemos aproximar a distância da imagem para ser o comprimento focal. A forma mais precisa da equação acima (aplicável para distâncias de trabalho próximas e distantes) é dada por:

Muitos fornecedores de lentes fornecem calculadoras de seleção de lentes em seus sites que produzem um comprimento focal recomendada com base na forma aproximada da equação de comprimento focal. Em caso de dúvida, o cálculo é direto e pode ser feito manualmente com conhecimento das dimensões do sensor. O tamanho do sensor normalmente é dado em unidades fracionárias de uma polegada que, por razões históricas, não podem ser diretamente dimensionadas para o tamanho real da área de imagem efetiva do sensor. A tabela abaixo fornece uma lista das larguras, alturas e diagonais de vários tamanhos de sensores padrão.

Por exemplo, considere uma aplicação usando um sensor de 1/2”, uma distância de trabalho de 100 mm e um campo de visão horizontal de 50 mm. Olhando para a mesa, o sensor de 1/2” tem uma largura de 6,4 mm, uma altura de 4,8 mm e uma diagonal de 8 mm. Para alcançar o campo de visão horizontal especificado, usamos:

ou usando a equação exata:

O resultado é um comprimento focal de 11,3 mm usando a fórmula exata e 12,8 mm usando a fórmula aproximada. Essa discrepância aumenta à medida que a distância de trabalho diminui em relação ao comprimento focal.

Depois de escolher um comprimento focal que melhor atenda aos seus requisitos, você pode precisar ajustar sua distância de trabalho para alcançar o campo de visão desejado. Tenha também em mente que lentes com comprimentos focais mais curtas muitas vezes apresentam distorção pronunciada. A quantidade real de distorção depende da lente específica sendo usada e pode ter um impacto considerável no campo de visão real. As equações acima ignoram a distorção. Se a distorção da lente for grande (por exemplo, > 10%), as equações acima são imprecisas para prever o comprimento focal e só devem ser usadas como ponto de partida. Deve-se consultar a folha de dados da lente. Normalmente, um campo de visão angular é especificado para lentes grande angular e olho-de-peixe para cada formato de sensor suportado pela lente. Este campo de visão angular deve ser usado para calcular a distância de trabalho para um determinado campo de visão em unidades de distância.

Tamanho do sensor

Ao comprar uma lente, certifique-se de que seja compatível com o tamanho óptico do sensor de imagem (por exemplo, 1/3", 2/3" e assim por diante) usado em sua câmera. A lente deve ser capaz de projetar uma imagem que cubra todo o sensor. Uma lente feita para um sensor de formato maior, como 2/3", geralmente pode ser usada com um sensor de formato menor, como 1/3", embora possa haver perda de resolução (veja abaixo).

Uma lente feita para um sensor menor, como 1/3”, não pode ser usada com um sensor maior, como 1/2”, porque a lente provavelmente não projeta uma imagem grande o suficiente para cobrir todo o sensor, o que causa vinheta. Nesse caso, os cantos da imagem podem parecer borrados, escuros ou até completamente pretos.

A tabela a seguir mostra a largura (L), altura (A) e diagonal (D) aproximada da área ativa para sensores de tamanhos diferentes e os fatores de corte associados ao uso de uma determinada lente em um sensor menor. Por exemplo, suponha que temos uma lente de 6 mm emparelhada com um sensor de 1/3” e você quer saber qual lente alcança o mesmo campo de visão em um sensor de 1/4”. O fator de corte do sensor de 1/3” em relação ao sensor de 1/4” é 1,33. Portanto, você seleciona uma distância focal de 6 mm/1,33 = 4,5 mm.

Resolução espacial do sensor e lentes de megapixels

Outro fator importante ao selecionar uma lente é o número de pixels em relação à área total do sensor. Essa medição geralmente é inversamente proporcional ao tamanho do pixel (célula da unidade). Quanto maior o número de pixels, menores são os pixels individuais e mais próximos estão. Por sua vez, quanto menor o espaçamento de pixels em um sensor, melhor a sua capacidade de gravar (amostrar) pequenos detalhes. Essa capacidade é referida como frequência espacial ou resolução espacial. Os sensores de alta densidade exigem lentes de megapixels (MP) construídas com componentes ópticos de maior qualidade que possam projetar imagens em uma resolução igual ou superior à do sensor.

A tabela abaixo mostra um exemplo de sensores usados em câmeras da FLIR e se uma lente de megapixels deve ser usada com eles. É aconselhável usar uma lente de megapixels com um sensor de megapixels. Para sensores com vários megapixels, a classificação de megapixels da lente deve atender ou exceder o número de megapixels do sensor. Usar uma lente regular em um sensor de megapixels pode resultar em imagens desfocadas, pois a lente pode não fornecer uma resolução alta o suficiente para o sensor. Embora seja aceitável usar uma lente de megapixels com um sensor sem megapixels, pode ser impraticável do ponto de vista de custo-benefício.

O ideal é que o formato da lente também seja compatível com o formato do sensor para obter o melhor desempenho. Por exemplo, uma lente de formato de 2/3” de 1 MP em um sensor de 1/3” de 1 MP provavelmente tem baixo desempenho em resolução porque o sensor está capturando apenas uma fração do detalhe total produzido pela lente. A lente de 1/3” de 1 MP, devido à menor área do sensor, fornece uma resolução mais alta do que uma de 2/3” de1 MP para capturar o mesmo conteúdo de imagem de 1 MP. A resolução espacial do sensor é medida em pares de linha por milímetro (lpm ou lp/mm), que denota o menor tamanho de pares repetidos de barras pretas/brancas que um sensor pode resolver. Um sensor de 1/3" de 1,3 MP, como o Sony ICX445 com um tamanho de pixel de apenas 3,75 micrômetros, pode resolver aproximadamente 133 lpm (1/3,75 µm x 1/2 x 1000 µm/mm). As lentes de megapixels podem projetar imagens com mais detalhes para usar a densidade de pixel mais alta de sensores de megapixels de formato pequeno, como o Sony ICX445 (1/3" de 1,3 MP) ou Sony ICX655 (2/3" de 5 MP).

A resolução de uma lente é normalmente medida por conjuntos de imagens de barras pretas e brancas com passos diferentes (lpm). O passo mais fino (no sensor) que pode ser resolvido é considerado a resolução da lente. Essa resolução é então multiplicada por 2 (para converter pares de linhas em linhas) e então multiplicada pelas dimensões do tamanho do sensor para determinar a classificação de megapixels para a lente. Há algumas armadilhas com esse tipo de medição. Em primeiro lugar, a resolução da lente varia em todo o campo de visão (geralmente o mais alto próximo ao centro da imagem) e, portanto, os detalhes de onde a resolução é medida têm um grande impacto na classificação de megapixels. Uma segunda armadilha está na percepção de “que acabou de se resolver”, pois pode diferir de um testador para outro. Além disso, duas lentes podem resolver apenas 133 lpm e, portanto, ter a mesma classificação de megapixels, mas isso não garante que forneçam o mesmo contraste, por exemplo, 60 lpm. A classificação de megapixels, portanto, nem sempre conta toda a história.

Uma medida mais sistemática da resolução da lente é a função de transferência de modulação (Modulation Transfer Function, MTF). A MTF mede a amplitude (contraste) de uma imagem de um padrão sinusoidal* que alterna suavemente entre preto e branco em uma determinada frequência espacial em ciclos/mm (cy/mm embora, às vezes seja chamado de lp/mm ou lpm). Quanto maior a frequência espacial de tal padrão, maior a probabilidade de a imagem ficar desfocada em cinza uniforme. A “resolução” nominal dessa medição é então a frequência na qual o contraste cai para alguma porcentagem do contraste de baixa frequência, análoga à largura de banda de um circuito elétrico. Isso é normalmente expresso como MTF50 (50% do contraste de baixa frequência) ou MTF30 (30% do contraste de baixa frequência). O MTF10 também é usado às vezes e tem uma equivalência aproximada à resolução “recém-resolvida” obtida a partir de padrões de barras (veja acima). Deve-se ter cuidado com o MTF10, pois é difícil medir de forma confiável. Outra métrica é medir o contraste para um conjunto limitado de frequências específicas, muitas vezes mostradas como uma função da posição radial na imagem. Enquanto os dados da MTF podem fornecer informações muito mais detalhadas sobre a qualidade da lente em comparação com uma classificação de megapixels simples, a interpretação é mais complicada e os dados podem nem sempre estar disponíveis.

* As medições da MTF também podem ser realizadas por outros métodos, como análise de distribuição de pontos e de borda inclinada.

Outros recursos