Seleccionar una lente para su cámara

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Montaje de la lente de la cámara

Debe seleccionar una lente que sea compatible con la montura de la lente de la cámara. La mayoría de las cámaras de visión artificial de FLIR están equipadas con una montura C o CS. También proporcionamos espaciadores de montura C a CS de 5 mm, monturas de lentes M12 y adaptadores CS a M12.

Distancia trasera de la brida en cámaras con montura C y CS

Las lentes con montura C y CS son monturas de lentes roscadas que se encuentran en la mayoría de las cámaras y lentes CCD industriales. La diferencia entre el equipo con montura C y CS es la distancia entre la pestaña del objetivo (la parte de la carcasa que se apoya contra la cámara) y el plano focal del objetivo (donde se debe colocar el sensor CCD). Esto se conoce como distancia trasera de la brida.

Diagrama de un objetivo típico con montura C o CS

La especificación de la lente con montura C para la distancia trasera de la brida es de 17,53 mm, y en las lentes con montura CS es de 12,53 mm. Sin embargo, en las cámaras FLIR, estas distancias físicas se compensan debido a la presencia de un filtro de corte de infrarrojos (IRC) de 1 mm y una ventana del paquete del sensor de 0,5 mm. Estas dos piezas de vidrio encajan entre la lente y el plano de imagen del sensor. FLIR instala el filtro IRC en las cámaras en color; en las cámaras monocromáticas, el IRC se reemplaza por una ventana de vidrio transparente. La ventana del paquete del sensor la instala el fabricante del sensor. La refracción de estos componentes de vidrio requiere un desplazamiento en la distancia trasera de la brida de los valores nominales.

Si tiene una cámara con montura CS y una lente con montura C, puede agregar un espaciador de 5 mm para obtener el enfoque correcto. Sin embargo, si tiene una cámara con montura C y una lente con montura CS, no se puede lograr el enfoque correcto.

Compatibilidad con microlentes M12

Las ópticas M12 (a veces denominadas montura S) suelen ser una alternativa popular a las ópticas de montura C o CS debido a su tamaño más pequeño y metal inferior c), lentes, un adaptador CS a M12 y algunas cámaras con montura de lente M12 preinstalada.

El soporte de lente M12 de metal fundido de FLIR está hecho de aleación de zinc y está diseñado para adaptarse a sensores de formato más grande como el Sony ICX445 CCD y el Sony IMX035 CMOS. Las características adicionales incluyen un tornillo de fijación para ajustar la distancia focal trasera, pasadores para una alineación precisa del soporte de la lente con la placa de circuito de la cámara y un filtro IRC.

FLIR también tiene disponible un adaptador de lente CS a M12, que es útil para conectar lentes M12 a una cámara equipada con un soporte de lente con montura CS.

Puede haber algunos problemas de compatibilidad con lentes M12 de gran angular (distancia focal corta) en particular. Los problemas de compatibilidad son principalmente el resultado de diferencias en la distancia focal posterior, como se explica a continuación.

La distancia requerida para que la lente esté enfocada es mayor que la longitud del soporte de la lente, lo que requiere que la lente se desacople del soporte para poder enfocarla.
La distancia requerida para que la lente esté enfocada es menor que la longitud del soporte de la lente. La imagen sigue desenfocada incluso con la lente completamente atornillada en el soporte de la lente.
La microlente puede encontrar el filtro de infrarrojos antes de poder enfocarse.
La microlente puede estar enfocada, pero es demasiado corta para fijarse en su lugar con el tornillo de fijación de la lente.

Longitud focal de la lente

Otra consideración importante al seleccionar una lente es su distancia focal. Una lente con una distancia focal aproximadamente igual al tamaño diagonal del formato del sensor reproduce una perspectiva que generalmente parece normal para el ojo humano. Las lentes con distancias focales más cortas de lo normal, también llamadas lentes ‘gran angular’, pueden capturar un campo de visión más grande. Los objetivos con distancias focales más largas de lo normal, o ‘teleobjetivos’, capturan un campo de visión más pequeño. Por lo tanto, al considerar la distancia focal, debe considerar el tamaño del sensor, el campo de visión que desea capturar y aproximadamente a qué distancia del sujeto se encuentra la lente, también conocida como ‘distancia operativa’.

El punto focal es la posición en el eje óptico donde se cruzan todos los rayos entrantes que son paralelos al eje óptico. El enfoque se logra cuando todos los rayos que se originan en el mismo punto de la escena se refractan de modo que se cruzan exactamente en el mismo punto en el plano de la imagen. Este concepto se ilustra en el diagrama siguiente. Tenga en cuenta que, con una lente simétrica, los puntos focales F y F’ son equidistantes de la lente. Un rayo que pasa a través de F se refracta de modo que sea paralelo al eje óptico antes de llegar al plano de la imagen.

La relación entre la distancia focal, la distancia operativa y la distancia de la imagen viene dada por la fórmula de la lente gaussiana:

En muchas aplicaciones de imágenes, la distancia operativa es considerablemente mayor que la distancia de la imagen. En este caso, podemos aproximar la ecuación anterior como:

Vemos que la distancia de la imagen es aproximadamente igual a la distancia focal. A continuación, se muestra un diagrama de rayos simplificado para este caso, donde solo se dibujan los rayos principales de los bordes del sensor. Estos rayos atraviesan el centro del cristalino sin cambiar de dirección.

El valor aproximado de la distancia focal en este caso viene dado por:

Para aplicaciones de primeros planos como la fotografía macro, donde la distancia operativa no es significativamente mayor que la distancia focal, no podemos aproximar la distancia de la imagen como la distancia focal. La forma más precisa de la ecuación anterior (aplicable tanto para distancias operativas cercanas como lejanas) viene dada por:

Muchos proveedores de lentes ofrecen calculadoras de selección de lentes en sus sitios web que producen una distancia focal recomendada basada en la forma aproximada de la ecuación de distancia focal. En caso de duda, el cálculo es sencillo y se puede realizar manualmente con conocimiento de las dimensiones del sensor. El tamaño del sensor generalmente se da en unidades fraccionarias de una pulgada que, por razones históricas, no se puede escalar directamente al tamaño real del área de imagen efectiva del sensor. La siguiente tabla ofrece una lista de los anchos, alturas y diagonales de varios tamaños de sensor estándar.

Por ejemplo, considere una aplicación que usa un sensor de 1/2”, una distancia operativa de 100 mm y un campo de visión horizontal de 50 mm. Mirando la tabla, el sensor de 1/2” tiene un ancho de 6,4 mm, una altura de 4,8 mm y una diagonal de 8 mm. Para lograr el campo de visión horizontal especificado, usamos:

o usando la ecuación exacta:

El resultado es una distancia focal de 11,3 mm utilizando la fórmula exacta y 12,8 mm utilizando la fórmula aproximada. Esta discrepancia aumenta a medida que la distancia operativa disminuye en relación con la distancia focal.

Una vez que elija la distancia focal que mejor se adapte a sus requisitos, es posible que deba ajustar su distancia operativa para lograr el campo de visión deseado. Además, tenga en cuenta que los objetivos con distancias focales más cortas suelen presentar una distorsión pronunciada. La cantidad real de distorsión depende del objetivo específico que se utilice y puede tener un impacto considerable en el campo de visión real. Las ecuaciones anteriores ignoran la distorsión. Si la distorsión de la lente es grande (por ejemplo > 10 %), las ecuaciones anteriores son inexactas para predecir la distancia focal y solo deben usarse como punto de partida. Se debe consultar la hoja de datos de la lente. Normalmente, se especifica un campo de visión angular para lentes gran angular y ojo de pez para cada formato de sensor que admite la lente. Este campo de visión angular debe usarse para calcular la distancia operativa para un campo de visión dado en unidades de distancia.

Tamaño del sensor

Al comprar un objetivo, asegúrese de que sea compatible con el tamaño óptico del sensor de imagen (por ejemplo, 1/3", 2/3", etc.) utilizado en su cámara. La lente debe poder proyectar una imagen que cubra todo el sensor. Una lente hecha para un sensor de formato más grande, como 2/3", generalmente se puede usar con un sensor de formato más pequeño, como 1/3", aunque puede haber una pérdida de resolución (ver más abajo).

Una lente hecha para un sensor más pequeño, como 1/3”, no se puede utilizar con un sensor más grande, como 1/2”, porque lo más probable es que la lente no proyecte una imagen lo suficientemente grande como para cubrir todo el sensor, lo que provoca viñeteado. En este caso, las esquinas de la imagen pueden aparecer borrosas, oscuras o incluso completamente negras.

La siguiente tabla muestra el ancho aproximado (W), la altura (H) y la diagonal (D) del área activa para sensores de diferentes tamaños y los factores de recorte asociados con el uso de una determinada lente en un sensor más pequeño. Por ejemplo, suponga que tenemos una lente de 6 mm emparejada con un sensor de 1/3” y desea saber qué lente logra el mismo campo de visión en un sensor de 1/4”. El factor de recorte del sensor de 1/3” en relación con el sensor de 1/4” es 1,33. Por lo tanto, selecciona una distancia focal de 6 mm / 1,33 = 4,5 mm.

Resolución espacial del sensor y lentes megapíxel

Otro factor importante al seleccionar una lente es el número de píxeles en relación con el área total del sensor. Esta medida suele ser inversamente proporcional al tamaño del píxel (celda unitaria): cuanto mayor es el número de píxeles, más pequeños son los píxeles individuales y más cercanos están. A su vez, cuanto menor sea el espaciado de píxeles en un sensor, mejor será su capacidad para registrar (muestrear) pequeños detalles. Esta capacidad se conoce como frecuencia espacial o resolución espacial. Los sensores de alta densidad requieren lentes megapíxel (MP) construidos con componentes ópticos de mayor calidad que puedan proyectar imágenes con una resolución igual o superior a la del sensor.

La siguiente tabla muestra una muestra de los sensores utilizados en las cámaras FLIR y si se debe utilizar una lente MP con ellos. Es recomendable utilizar una lente MP con sensor de megapíxeles. Para los sensores de varios megapíxeles, la clasificación de MP de la lente debe alcanzar o superar el número de MP del sensor. El uso de una lente normal en un sensor de megapíxeles puede resultar en imágenes borrosas, ya que la lente puede no proporcionar una resolución lo suficientemente alta para el sensor. Aunque es aceptable utilizar una lente MP con un sensor que no sea de megapíxeles, puede que no sea práctico desde una perspectiva de coste-beneficio.

Idealmente, el formato de la lente también debe coincidir con el formato del sensor para obtener el mejor rendimiento. Por ejemplo, una lente de formato de 1 MP 2/3” en un sensor de 1 MP 1/3” probablemente tenga un rendimiento inferior en resolución porque el sensor solo captura una fracción del detalle total producido por la lente. La lente de 1 MP 1/3”, debido al área del sensor más pequeña, proporciona una resolución más alta que una de 1 MP 2/3” para capturar el mismo contenido de imagen de 1 MP. La resolución espacial del sensor se mide en pares de líneas por milímetro (lpm o lp/mm), lo que indica el tamaño más pequeño de pares repetidos de barras blancas/negras que puede resolver un sensor. Un sensor de 1,3 MP de 1/3", como el Sony ICX445 con un tamaño de píxel de solo 3,75 micrómetros, puede resolver ~ 133 lpm (1/3,75 µm x 1/2 x 1000 µm/mm). Los lentes MP pueden proyectar imágenes con mayor detalle para hacer uso de la mayor densidad de píxeles de los sensores de megapíxeles de formato pequeño como el Sony ICX445 (1/3" 1,3 MP) o Sony ICX655 (2/3" 5 MP).

La resolución de una lente se mide típicamente mediante conjuntos de imágenes de barras blancas y negras con diferentes tonos (lpm). El tono más fino (en el sensor) que se puede resolver simplemente se considera la resolución de la lente. Esta resolución luego se multiplica por 2 (para convertir pares de líneas en líneas) y luego se multiplica por las dimensiones del tamaño del sensor para determinar la clasificación de MP para la lente. Hay algunas dificultades con este tipo de medición. En primer lugar, la resolución de la lente varía en todo el campo de visión (normalmente la más alta cerca del centro de la imagen), por lo que los detalles de dónde se mide la resolución tienen un gran impacto en la clasificación de MP. Un segundo escollo reside en la percepción de “recién resuelto” ya que puede diferir de un comprobador a otro. Además, dos lentes pueden resolver solo 133 lpm y, por lo tanto, tener la misma clasificación de MP, pero esto no garantiza que brinden el mismo contraste, por ejemplo, a 60 lpm. Por lo tanto, la calificación de MP no siempre cuenta toda la historia.

Una medida más sistemática de la resolución de la lente es la función de transferencia de modulación (MTF). La MTF mide la amplitud (contraste) de una imagen de un patrón sinusoidal* que alterna suavemente entre el blanco y el negro a una frecuencia espacial determinada en ciclos/mm (ci/mm, aunque a veces se denomina lp/mm o lpm). Cuanto mayor sea la frecuencia espacial de tal patrón, más probable es que la imagen se vuelva borrosa en un gris uniforme. La “resolución” nominal de esta medición es entonces la frecuencia a la que el contraste cae a algún porcentaje del contraste de baja frecuencia, análoga al ancho de banda de un circuito eléctrico. Esto se expresa típicamente como MTF50 (50 % del contraste de baja frecuencia) o MTF30 (30 % del contraste de baja frecuencia). MTF10 también se usa a veces y tiene una equivalencia aproximada a la resolución “recién resuelta” obtenida de los patrones de barras (ver arriba). Se debe tener precaución con MTF10 ya que es difícil de medir de manera fiable. Otra métrica es medir el contraste para un conjunto limitado de frecuencias específicas, que a menudo se muestran en función de la posición radial en la imagen. Si bien los datos MTF pueden proporcionar información mucho más detallada sobre la calidad de la lente en comparación con una clasificación de MP simple, la interpretación es más complicada y es posible que los datos no siempre estén disponibles.

*Las mediciones de MTF también se pueden realizar mediante otros métodos, como la dispersión de puntos y el análisis de bordes inclinados.

Otros recursos