Bij machine vision worden meestal lenzen met een vaste brandpuntsafstand gebruikt. Bij deze lenzen bestaat een vaste relatie tussen de brandpuntsafstand, de werkafstand en het beeldveld.
Een zoomlens werkt anders. Hiermee kan de brandpuntsafstand en daarmee het beeldveld worden aangepast zonder de positie van de camera te veranderen. Dat maakt een zoomlens handig voor testopstellingen en toepassingen waarbij de camerapositie al vastligt. Voor nauwkeurige industriële inspecties is een zoomlens niet altijd de beste keuze.
Beeldveld en werkafstand bij een vaste brandpuntsafstand
Bij een fixed focal length lens ligt de brandpuntsafstand vast. Het beeldveld, ook wel Field of View of FOV genoemd, wordt bepaald door:
de sensorsafmeting van de camera;
de brandpuntsafstand van de lens;
de werkafstand tussen de lens en het product.
Dit type lens heeft normaal gesproken twee instelmogelijkheden. Met het diafragma wordt de hoeveelheid licht geregeld die de camerasensor bereikt. Het diafragma heeft daarnaast invloed op de scherptediepte. Met de focusring wordt het beeld bij de gekozen werkafstand scherpgesteld.
Wil je met dezelfde camera en lens een groter beeldveld krijgen, dan moet de werkafstand meestal worden vergroot. Het product wordt hierdoor kleiner op de camerasensor afgebeeld. Eén pixel vertegenwoordigt dan een groter oppervlak op het product, waardoor de pixelresolutie afneemt.
Voor een kleiner beeldveld en een hogere pixelresolutie wordt de camera juist dichter bij het product geplaatst. Dit kan alleen wanneer de minimale werkafstand en het focusbereik van de lens dit toelaten.
Het voordeel van een lens met een vaste brandpuntsafstand is de reproduceerbaarheid. Zolang de camerapositie, de werkafstand en de lensinstellingen gelijk blijven, blijven ook het beeldveld en de pixelresolutie gelijk.
Hoe werkt een zoomlens?
Een zoomlens heeft naast het diafragma en de focus een derde instelmogelijkheid. Met de zoomring wordt de brandpuntsafstand van de lens veranderd.
Hierdoor kan bij een gelijkblijvende werkafstand een groter of kleiner beeldveld worden ingesteld. De camera hoeft daarvoor niet te worden verplaatst.
Bij het veranderen van de zoominstelling veranderen tegelijkertijd:
de effectieve brandpuntsafstand;
het beeldveld;
de vergrotingsfactor;
de pixelresolutie op het product.
Na het aanpassen van de zoominstelling kan het nodig zijn om de lens opnieuw scherp te stellen. Dit is afhankelijk van de constructie van de lens.
Wat doet een zoomlens met de pixelresolutie?
De pixelresolutie geeft aan welk deel van het product door één pixel van de camera wordt weergegeven. De horizontale pixelresolutie wordt berekend door de breedte van het beeldveld te delen door het aantal horizontale pixels van de camera.
Pixelresolutie = beeldveld ÷ aantal pixels
Een camera met 2.448 horizontale pixels en een horizontaal beeldveld van 100 mm heeft een pixelresolutie van:
100 mm ÷ 2.448 pixels = 0,0408 mm per pixel
Wordt met dezelfde camera en zoomlens het horizontale beeldveld verkleind naar 50 mm, dan wordt de pixelresolutie:
50 mm ÷ 2.448 pixels = 0,0204 mm per pixel
De pixelgrootte op het product wordt daarmee gehalveerd van 0,0408 naar 0,0204 mm per pixel. Een detail wordt hierdoor met twee keer zoveel pixels weergegeven. De camera ziet echter nog maar de helft van het oorspronkelijke beeldveld.
Dit is de reden waarom de zoominstelling bij een inspectiesysteem niet ongecontroleerd mag veranderen. Wanneer het beeldveld verandert, verandert ook de schaalverhouding tussen pixels en millimeters.
Een zoomlens gebruiken in een testopstelling
Bij het opbouwen van een testopstelling zijn het gewenste beeldveld, de werkafstand en de benodigde pixelresolutie niet altijd direct bekend. Een zoomlens maakt het mogelijk om verschillende instellingen te testen zonder telkens een andere lens te monteren of de camera te verplaatsen.
De camera kan eerst op een praktische positie worden gemonteerd. Daarna wordt met de zoomring het benodigde beeldveld ingesteld. Zo kan tijdens de test worden bepaald welke combinatie van beeldveld, werkafstand en pixelresolutie nodig is.
Een zoomlens kan worden gebruikt voor:
haalbaarheidsonderzoeken;
machine-visiondemo’s;
laboratoriumopstellingen;
het bepalen van een geschikte brandpuntsafstand;
tijdelijke cameraopstellingen;
tests met verschillende productformaten.
Zodra het definitieve beeldveld en de werkafstand bekend zijn, kan voor de uiteindelijke installatie een lens met een passende vaste brandpuntsafstand worden geselecteerd.
Waarom een zoomlens niet altijd geschikt is voor industriële inspectie
In een industriële omgeving kan een camera worden blootgesteld aan trillingen, schokken en temperatuurwisselingen. Hierdoor kunnen de focus-, diafragma- of zoomring zich verstellen wanneer deze niet goed zijn geborgd.
Vooral een verandering van de zoominstelling is kritisch. Hierdoor verandert niet alleen het beeldveld, maar ook de pixelresolutie. Het inspectieprogramma werkt dan met een andere schaalverhouding dan tijdens de oorspronkelijke configuratie.
Dit kan de volgende gevolgen hebben:
maatmetingen komen niet meer overeen;
detectiegebieden liggen niet meer op de juiste positie;
toleranties in pixels vertegenwoordigen een andere afmeting;
kleine defecten worden met meer of minder pixels afgebeeld;
de inspectie moet opnieuw worden ingesteld en gekalibreerd.
Veel industriële zoomlenzen hebben borgschroeven waarmee de instelringen kunnen worden vastgezet. Bij sommige lenzen zijn meerdere borgpunten per instelring aanwezig.
Deze borgschroeven verkleinen de kans op onbedoelde verstelling. In de praktijk blijft de zoominstelling echter gevoeliger dan de focus- en diafragmaringen. Voor inspecties waarbij de pixelresolutie constant moet blijven, wordt daarom meestal een lens met een vaste brandpuntsafstand gebruikt.
Wanneer is een zoomlens wel geschikt?
Niet iedere cameratoepassing is een nauwkeurige industriële inspectie. Soms is het kunnen aanpassen van het beeldveld belangrijker dan een exact reproduceerbare pixelresolutie.
Een zoomlens kan geschikt zijn wanneer:
de montagepositie van de camera al vastligt;
het beeldveld pas tijdens de installatie kan worden bepaald;
meerdere beeldvelden moeten worden getest;
de camera voor observatie of monitoring wordt gebruikt;
er geen nauwkeurige metingen in het beeld plaatsvinden;
kleine veranderingen in pixelresolutie geen invloed hebben op de toepassing.
Voorbeelden zijn procesmonitoring, observatiesystemen en bepaalde sportanalyseopstellingen. Bij een camera voor golfswinganalyse wordt de montagepositie vaak bepaald door de beschikbare ruimte. Met de zoominstelling kan vervolgens het juiste deel van de swingzone in beeld worden gebracht.
Een voorbeeld van een lens die hiervoor kan worden gebruikt, is de Kowa LMVZ4411 zoomlens. Deze C-mountlens heeft een instelbare brandpuntsafstand van 4,4 tot 11 mm, waardoor het beeldveld bij een vaste camerapositie kan worden aangepast.
Zoomlens of lens met vaste brandpuntsafstand?
De juiste keuze wordt bepaald door de toepassing en de gewenste nauwkeurigheid.
Een lens met een vaste brandpuntsafstand is meestal de beste keuze wanneer een constante pixelresolutie, een vaste beeldschaal en een reproduceerbare inspectie belangrijk zijn.
Een zoomlens is geschikt wanneer het beeldveld tijdens een test of installatie moet kunnen worden aangepast. Dit is bijvoorbeeld het geval bij demo’s, haalbaarheidsonderzoeken, monitoring en sportanalyse.
Voor zeer nauwkeurige maatvoering kan een telecentrische lens nodig zijn. Deze beperkt perspectivische vertekening en houdt de vergroting vrijwel constant bij kleine hoogteverschillen van het product. Telecentrische lenzen worden onder andere gebruikt voor het meten van diameters, gaten, randen en andere kritische afmetingen.
De juiste machine-visionlens selecteren
Voor een lensselectie zijn minimaal de camerasensor, het gewenste beeldveld en de beschikbare werkafstand nodig. Bij een inspectietoepassing moeten ook de afmetingen van het kleinste defect en het benodigde aantal pixels per defect worden bepaald.
Op basis van deze gegevens kan worden berekend welke brandpuntsafstand en optische resolutie nodig zijn. Het product moet niet alleen volledig in beeld passen. Ook de relevante details moeten met voldoende pixels en contrast worden weergegeven om ze betrouwbaar te kunnen detecteren of meten.
Wanneer de toepassing verder gaat dan alleen de keuze van een camera en lens, spelen ook de belichting, mechanische opbouw, aansturing en beeldverwerking een rol. Lees meer over het ontwerpen en realiseren van een machine-visionsysteem.
