Come scegliere una lente per endoscopio per la tua applicazione

Una lente per endoscopio ha un compito difficile. Deve adattarsi a uno strumento stretto e allo stesso tempo produrre un'immagine utile a breve distanza, spesso in uno spazio in cui l'illuminazione e il posizionamento sono strettamente vincolati.

Scegliere una lente per endoscopio non è quindi semplicemente una questione di scegliere il diametro più piccolo disponibile o il campo visivo più ampio. Un obiettivo che cattura una scena ampia può mostrare meno dettagli per oggetto. Un progetto ottimizzato per una particolare distanza di lavoro potrebbe non mantenere un oggetto molto più vicino o più lontano con una messa a fuoco accettabile. I limiti meccanici possono anche limitare le configurazioni ottiche a disposizione del progettista.

Che l'applicazione riguardi l'imaging medico, l'ispezione industriale o un'altra forma di visualizzazione interna, il miglior punto di partenza è definire cosa deve rivelare la telecamera e in quali condizioni.

1. Definire l'attività e l'obiettivo dell'ispezione

Inizia descrivendo ciò che l'endoscopio deve osservare. L'obiettivo è ispezionare una superficie per individuare eventuali graffi, esaminare una cavità, identificare una piccola caratteristica o fornire una visione generale di uno spazio interno? L'obiettivo e il compito determinano quali caratteristiche dell'immagine contano di più.

Per un sistema di ispezione dei difetti, la capacità di distinguere piccoli dettagli può essere più importante che catturare la scena più ampia possibile. Per la navigazione attraverso una cavità o un tubo può essere utile una copertura più ampia. Alcune applicazioni necessitano di entrambi, il che può richiedere compromessi o un'architettura della fotocamera diversa.

Descrivere anche il materiale e la superficie target. Oggetti altamente riflettenti, trasparenti, scuri o strutturati possono comportarsi diversamente sotto la stessa illuminazione. Se l'endoscopio funzionerà in un liquido o dietro una finestra protettiva, comunicarlo tempestivamente; il percorso ottico non è necessariamente equivalente a una normale configurazione aerea.

Le foto dell'obiettivo, uno schizzo dello spazio disponibile ed esempi di immagini accettabili e inaccettabili sono spesso più utili di una breve specificazione da sola.

2. Campo visivo: quanto può vedere l'obiettivo?

Il campo visivo (FOV) indica l'estensione angolare della scena catturata dall'obiettivo. Nelle applicazioni endoscopiche, un ampio FOV può aiutare l'utente a vedere meglio l'area circostante senza spostare troppo lo strumento.

Tuttavia, una copertura più ampia non è automaticamente migliore. Quando la risoluzione del sensore rimane fissa, una scena più grande potrebbe lasciare meno pixel su un piccolo elemento. I progetti ad angolo molto ampio possono anche introdurre distorsioni, che possono essere accettabili per l'orientamento visivo ma meno adatte quando la geometria deve essere valutata accuratamente.

Quando si specifica il FOV, chiarire se il requisito è orizzontale, verticale o diagonale. Indicare il formato o il modello del sensore, poiché lo stesso obiettivo può produrre una copertura diversa con dimensioni del sensore diverse. Se un target deve rientrare nell'immagine a una distanza definita, fornire anche le dimensioni del target e la distanza di lavoro.

Un semplice disegno che mostra la punta della lente, il target e l'area visibile richiesta può aiutare il progettista ottico a determinare se il campo visivo proposto è appropriato.

3. La profondità di campo e la distanza di lavoro sono collegate

La distanza di lavoro è la distanza dall'obiettivo o da un punto di riferimento chiaramente specificato al bersaglio. La profondità di campo (DOF) descrive l'intervallo di distanze degli oggetti oltre il quale l'immagine rimane accettabilmente nitida in condizioni definite.

Questi due parametri dovrebbero essere discussi insieme. Una lente ottimizzata per un intervallo di distanze ristretto può fornire dettagli elevati nel punto di ispezione previsto, ma diventare meno utile quando il target si avvicina o si allontana. Una profondità di campo maggiore può migliorare la tolleranza alla variazione della distanza, sebbene il risultato dipenda dal design ottico, dall'apertura, dalla risoluzione del sensore e dai criteri utilizzati per definire la nitidezza accettabile.

Per un endoscopio, è utile fornire la distanza di lavoro nominale, la distanza target prevista più vicina e la distanza più lontana che deve rimanere utilizzabile. Se lo strumento deve ispezionare sia una superficie vicina che una cavità più ampia, ditelo invece di fornire solo una distanza preferita.

Evitare di chiedere "DOF grande" senza descrivere l'effettivo raggio operativo. Un intervallo numerico di distanza o alcune posizioni target rappresentative rendono il requisito più facile da valutare e testare.

4. Perché il mezzo ottico è importante

Un sistema ottico progettato per l'uso in aria può comportarsi diversamente se utilizzato in un altro mezzo, come acqua o un ambiente pieno di liquidi. L'indice di rifrazione del mezzo circostante modifica il modo in cui la luce si piega alle interfacce ottiche e può influenzare la messa a fuoco, il campo visivo apparente e altre caratteristiche dell'immagine.

Ciò è particolarmente importante quando un endoscopio è destinato all'ispezione subacquea o ad un'altra applicazione in cui la superficie ottica anteriore entra in contatto con un mezzo diverso dall'aria. Testare una lente solo in aria potrebbe non prevedere completamente il suo comportamento finale nell'ambiente previsto.

Nel descrivere l'applicazione, specificare se l'obiettivo funzionerà in aria, acqua o dietro una finestra protettiva trasparente. Includere il materiale e lo spessore della finestra, se noti. Se il sistema sarà immerso, definire le relative distanze di lavoro e le condizioni in cui deve essere valutata la qualità dell'immagine.

L'impostazione appropriata del test dovrebbe riflettere l'applicazione finale nel modo più fedele possibile. Per progetti specializzati, il team ottico e il cliente devono concordare il mezzo di riferimento, la distanza del target, la procedura di messa a fuoco e i criteri di accettazione della qualità dell'immagine prima dell'approvazione del campione.

5. Il diametro e la progettazione meccanica possono limitare la soluzione ottica

Le lenti per endoscopio spesso operano con vincoli dimensionali impegnativi. Il diametro esterno disponibile e la lunghezza totale influiscono sul numero di elementi ottici che possono essere alloggiati, su come viene assemblato l'obiettivo e su come si interfaccia con il sensore di immagine e l'alloggiamento circostante.

Un diametro più piccolo non è un obiettivo isolato. Deve essere bilanciato rispetto al campo visivo, alla qualità dell'immagine, alla profondità di campo, all'illuminazione e alla fattibilità della produzione. Un progetto tecnicamente possibile può comunque richiedere dei compromessi in termini di prestazioni, complessità di assemblaggio o costi.

Fornire il diametro esterno massimo, la lunghezza disponibile, la posizione del sensore, l'interfaccia di montaggio ed eventuali restrizioni sulla punta anteriore. Se l'endoscopio include fibre di illuminazione o LED, includere la loro posizione e lo spazio ad essi riservato. Questi componenti possono influenzare la disposizione meccanica e la luce che raggiunge il bersaglio.

Un disegno quotato è l'ideale, ma uno schizzo chiaro può supportare una discussione iniziale sulla fattibilità. Identificare quali dimensioni sono fisse e quali potrebbero essere regolate se è necessario un compromesso ottico.

6. Risoluzione, illuminazione e contrasto dell'immagine

L'obiettivo deve fornire dettagli sufficientemente utili per il compito previsto, ma anche il sensore e l'illuminazione influenzano l'immagine finale. Un sensore ad alta risoluzione non può compensare un contrasto ottico insufficiente, una scarsa messa a fuoco, movimento o illuminazione inadeguata.

L'imaging endoscopico spesso comporta uno spazio limitato per l'illuminazione. La luminosità può variare nella scena e le superfici riflettenti possono creare luci che oscurano i dettagli. L'obiettivo, l'esposizione del sensore, la geometria dell'illuminazione e l'elaborazione delle immagini dovrebbero quindi essere valutati come un sistema.

Quando definisci la qualità dell'immagine, descrivi la caratteristica che deve essere risolta, la distanza target e l'area dell'immagine in cui le prestazioni contano maggiormente. Se hai un requisito misurabile, come una dimensione minima delle funzionalità o un test definito sulla qualità dell'immagine, condividilo. In caso contrario, fornire immagini rappresentative e spiegare cosa il sistema attuale non riesce a mostrare.

Evita di fare affidamento solo sull'etichetta megapixel. La valutazione pratica del sensore, dell'illuminazione e del target previsti è essenziale prima di approvare un obiettivo per la produzione.

7. Cosa preparare prima di contattare un produttore di lenti

Una richiesta produttiva non richiede una prescrizione ottica completa. Richiede informazioni sufficienti per valutare la domanda.

Preparare quanto segue, ove disponibile:

Applicazione e tipo di destinazione

Modello del sensore, dimensioni attive o scheda tecnica

FOV orizzontale, verticale o diagonale richiesto

Intervallo di distanza di lavoro nominale e consentita

Profondità di campo richiesta o dimensione minima dell'elemento

Diametro massimo dell'obiettivo e lunghezza disponibile

Mezzo operativo, finestra protettiva e condizioni ambientali

Disposizione dell'illuminazione e lunghezza d'onda, se pertinente

Quantità del prototipo, volume di produzione previsto, costo target e pianificazione

Se disponi di un modulo endoscopio esistente, immagini campione o un riferimento fisico possono chiarire cosa deve essere cambiato. Identificare i punti di forza e i limiti attuali: forse l'immagine è nitida solo a una distanza, la punta è troppo grande o la copertura della scena è insufficiente.

Queste informazioni aiutano a determinare se un obiettivo esistente può essere adattato o se è opportuno prendere in considerazione un design ottico personalizzato.

Conclusione: iniziare con le reali condizioni di ispezione

La scelta delle lenti dell'endoscopio è un equilibrio tra prestazioni ottiche e vincoli fisici. Campo visivo, profondità di campo, distanza di lavoro, mezzo circostante, caratteristiche del sensore, illuminazione e dimensioni meccaniche dovrebbero essere definiti insieme.

La specifica più utile non è necessariamente quella più lunga. È quello che descrive il vero compito di ispezione in modo sufficientemente chiaro da consentire agli ingegneri di valutare una soluzione pratica.

Ottica Boshi, parte di Shanghai Silk Optical Technology Co., Ltd., sviluppa e produce prodotti ottici per applicazioni di imaging, comprese ottiche personalizzate per endoscopi. Per un nuovo progetto, condividi le informazioni del sensore, l'involucro meccanico, la distanza di lavoro, la scena target e il mezzo operativo previsto.

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