Introduzione: la scheda tecnica dell'obiettivo non è solo una tabella di numeri

Quando gli ingegneri selezionano un obiettivo per fotocamera, il primo passo è solitamente semplice:

Apri la scheda tecnica.

Poi arriva la parte difficile.

Una tipica scheda tecnica dell'obiettivo può includere:

• EFL
• Numero F
• FOV
• MTF
• Distorsione
• CRA
• TTL
• Formato del sensore
• Illuminazione relativa

Per gli ingegneri ottici esperti, questi numeri raccontano una storia.

Per i principianti possono sembrare una lingua straniera.

La sfida non è trovare un obiettivo con le “migliori” specifiche.

La sfida è capire:

Quali parametri ottici sono realmente importanti per la vostra applicazione?

Una telecamera di sorveglianza, un robot autonomo, un drone, un dispositivo medico e un sistema di visione industriale utilizzano tutti obiettivi, ma richiedono caratteristiche ottiche completamente diverse.

Questa guida spiega le specifiche essenziali degli obiettivi della fotocamera che gli ingegneri devono comprendere prima di effettuare una selezione.

1. Lunghezza focale (EFL): il fondamento della prospettiva dell'obiettivo

Qual è la lunghezza focale?

La lunghezza focale effettiva (EFL) è una delle specifiche più importanti di un obiettivo fotografico.

Determina:

• Ingrandimento
• Angolo di visione
• Rapporto prospettico tra gli oggetti

Semplicemente:

Lunghezza focale corta = visione più ampia
Lunghezza focale lunga = campo visivo più ristretto

Esempi comuni

Obiettivo grandangolare

Lunghezze focali tipiche:

• 1,8 mm
• 2,8 mm
• 3,6 mm

Applicazioni:

• Telecamere di sicurezza
• Dispositivi domestici intelligenti
• Robotica
• Monitoraggio dei parcheggi

Vantaggi:

• Ampia area di copertura
• Una migliore consapevolezza ambientale

Limitazioni:

• Maggiore distorsione
• Dimensioni ridotte dell'oggetto a distanza

Teleobiettivo

Lunghezze focali tipiche:

• 12 mm
• 25 mm
• 50 mm+

Applicazioni:

• Monitoraggio del traffico
• Ispezione a lunga distanza
• Misurazione industriale

Vantaggi:

• Cattura dettagli distanti

Limitazioni:

• Campo visivo ristretto

2. Campo visivo (FOV): quanto può vedere la telecamera?

Il campo visivo descrive l'area visibile catturata da una lente.

Di solito è espresso come:

• FOV orizzontale
• FOV verticale
• FOV diagonale

Perché il FOV è importante

Scegliere il FOV sbagliato crea problemi costosi.

Troppo stretto:

• Più punti ciechi
• Sono necessarie più telecamere
• Costo di installazione più elevato

Troppo largo:

• Distorsione eccessiva
• Precisione di riconoscimento ridotta

Un processo di selezione delle lenti professionale considera sempre:

• Distanza dell'obiettivo
• Zona di rilevamento
• Dimensione dell'oggetto
• Requisiti di riconoscimento

3. Apertura (numero F): la capacità dell'obiettivo di catturare la luce

L'apertura è una delle specifiche più fraintese.

Il numero F rappresenta il rapporto tra:

• Lunghezza focale dell'obiettivo
• Diametro della pupilla d'ingresso

Più piccolo è il numero F:

→ Maggiore è l'apertura
→ Maggiore è la quantità di luce che entra nell'obiettivo

Valori di apertura comuni

Perché l'apertura è importante

Gli ambienti con scarsa illuminazione creano sfide:

• Aumento del rumore del sensore
• Tempo di esposizione più lungo
• Sfocatura del movimento

Un'apertura maggiore aiuta a fornire più informazioni ottiche prima dell'amplificazione elettronica.

Questo è il motivo per cui le applicazioni ad alte prestazioni si concentrano sempre più su obiettivi ad ampia apertura.

4. Compatibilità del sensore: l'obiettivo e il sensore devono funzionare insieme

Un errore comune commesso dagli ingegneri è selezionare un obiettivo basandosi solo sulla lunghezza focale.

Un obiettivo deve anche corrispondere al formato del sensore.

Le dimensioni comuni dei sensori includono:

• 1/4"
• 1/3"
• 1/2,7"
• 1/2"
• 1/1,8"
• 1/1,2"

Cosa succede quando non corrispondono?

Cerchio dell'immagine dell'obiettivo troppo piccolo

Risultato:

• Angoli bui
• Vignettatura
• Pixel persi

Obiettivo progettato per sensori più piccoli utilizzato su sensori più grandi

Risultato:

• Qualità dell'immagine ridotta
• Prestazioni ai bordi scadenti

L'abbinamento ottico professionale richiede di considerare:

• Diagonale del sensore
• Dimensione pixel
• Angolo del raggio principale
• Cerchio di immagini

5. Distorsione: la differenza tra ampio e utilizzabile

La distorsione descrive quanto le linee rette diventano curve in un'immagine.

Il tipo più comune:

Distorsione a botte

Tipico in:

• Obiettivi grandangolari
• Lenti fish-eye
  
  

La distorsione non è sempre negativa.

Per esempio:

Gli obiettivi per droni FPV spesso utilizzano intenzionalmente una forte distorsione grandangolare per creare una visione coinvolgente.

Tuttavia:

Applicazioni come:

• Sistemi di misurazione
• Riconoscimento targhe
• Visione artificiale

richiedono un migliore controllo della distorsione.

La chiave non è eliminare completamente la distorsione.

La chiave è controllare la distorsione in base alle esigenze dell'applicazione.

6. MTF: misurazione delle prestazioni ottiche reali

MTF (Modulation Transfer Function) è uno dei metodi di valutazione ottica più importanti.

Descrive quanto bene un obiettivo trasferisce il contrasto da un oggetto a un'immagine.

Semplicemente:

MTF più alto = Migliore capacità di riprodurre i dettagli.

Perché il sistema multilaterale di negoziazione è importante

Due obiettivi possono avere:

• Stessa lunghezza focale
• Stessa apertura
• Stesso grado di risoluzione

Ma qualità dell'immagine completamente diversa.

Perché?

Perché le prestazioni ottiche dipendono da:

• Qualità del vetro
• Struttura della lente
• Tecnologia di rivestimento
• Precisione produttiva

MTF rivela la reale capacità ottica.

7. CRA (Chief Ray Angle): fondamentale per i sensori moderni

CRA descrive l'angolo dei raggi luminosi in entrata che raggiungono il sensore.

I moderni sensori CMOS sono altamente sensibili al CRA.

Una corrispondenza CRA errata può causare:

• Sfumatura di colore
• Luminosità ridotta
• Degrado dell'immagine

Questo parametro è particolarmente importante per:

• Telecamere automobilistiche
• Visione artificiale
• Sensori ad alta risoluzione

8. TTL e parametri di progettazione meccanica

Le prestazioni ottiche non sono l’unica considerazione.

Gli ingegneri devono anche considerare la compatibilità meccanica.

I parametri importanti includono:

TTL (Lunghezza totale della traccia)

La distanza ottica dalla prima superficie della lente al piano dell'immagine.

Importante per:

• Progettazione del modulo fotocamera
• Applicazioni con spazio limitato

Tipo di montaggio

Interfacce comuni:

• Attacco M12
• Supporto CS
• Attacco C
• Attacco F
• Supporti personalizzati

La montatura determina l'integrazione meccanica.

9. Illuminazione relativa: qualità dell'immagine nell'inquadratura

L'illuminazione relativa descrive la consistenza della luminosità dal centro al bordo.

Una scarsa illuminazione relativa provoca:

• Angoli bui
• Luminosità dell'immagine non uniforme

Ciò è particolarmente importante per:

• Obiettivi grandangolari
• Telecamere di sorveglianza
• Sistemi di visione AI

Un buon obiettivo dovrebbe mantenere un'illuminazione costante su tutta l'immagine.

10. L'errore più comune: scegliere le specifiche anziché le soluzioni

Uno degli errori più grandi commessi dagli ingegneri è confrontare gli obiettivi solo in base ai numeri.

Per esempio:

"L'obiettivo A ha una risoluzione più elevata, quindi deve essere migliore."

Non necessariamente.

Una selezione di lenti di successo considera il sistema completo:

• Sensore
• Ambiente di illuminazione
• Distanza di lavoro
• Requisiti dell'intelligenza artificiale
• Capacità di elaborazione delle immagini

L'obiettivo migliore non è quello con le specifiche più elevate.

È quello ottimizzato per l'applicazione.

Come gli ingegneri dovrebbero valutare l'obiettivo di una fotocamera

Prima di selezionare un obiettivo, chiedi:

Domande sull'applicazione

• Quali oggetti devono essere rilevati?
• Qual è la distanza di lavoro?
• Quali condizioni di illuminazione esistono?
• Le informazioni sul colore sono importanti?
• È coinvolta l’analisi dell’intelligenza artificiale?

Domande ottiche

• Il FOV è sufficiente?
• L'apertura è abbastanza grande?
• Il sensore corrisponde?
• La distorsione è accettabile?
• Le prestazioni dei bordi sono importanti?

Domande di sistema

• Le dimensioni sono limitate?
• È necessaria la stabilità della temperatura?
• L’affidabilità a lungo termine è importante?

Conclusione: comprendere le specifiche dell'obiettivo crea sistemi di imaging migliori

Le specifiche degli obiettivi della fotocamera non sono solo numeri tecnici.

Rappresentano decisioni ottiche che influiscono direttamente sulle prestazioni del sistema.

Una lente ben scelta può migliorare:

• Qualità dell'immagine
• Precisione dell'IA
• Affidabilità del sistema
• Competitività del prodotto

Un obiettivo scarsamente selezionato può limitare anche la fotocamera e l’algoritmo più avanzati.

Nei moderni sistemi di imaging, gli ingegneri non scelgono semplicemente un pezzo di vetro.

Stanno scegliendo le basi dell’intelligenza visiva.

Approfondimento finale

Un sensore cattura i pixel.

Un algoritmo elabora le informazioni.

Ma l'obiettivo determina in primo luogo quali informazioni esistono.

Una migliore comprensione ottica porta a decisioni ingegneristiche migliori.