Massimizzare le prestazioni di un sistema di imaging

Allestire un sistema di imaging non è un compito facile: sono molti i fattori da considerare e ampia è la gamma di componenti fra cui scegliere. L’obiettivo finale, tuttavia, rimane quello di massimizzare le prestazioni del sistema e, allo stesso tempo, ridurre i costi. Edmund Optics ha stilato un breve elenco di suggerimenti per creare sistemi di imaging sofisticati, economici e applicabili a svariate applicazioni.

di Daniel Adams

Le ottiche sono ovunque, e rappresentano una parte fondamentale della tecnologia, della ricerca e dell’industria. Questo è particolarmente evidente in settori come quello della visione industriale, dove l’efficienza dei sistemi si basa sulla qualità delle immagini che devono essere elaborate. Edmund Optics (EO) produce e fornisce componenti ottici di precisione, componenti di imaging e sottoinsiemi (Figura 1).
Edmund Optics fu fondata 75 anni fa, nel 1942, con il nome di Edmund Scientific, quando Norman Edmund iniziò a recuperare le ottiche e a distribuirle ad altri appassionati. Da allora l’impresa è cresciuta moltissimo, fino a diventare il fornitore globale di ottica di precisione che è oggi. EO è specializzata anche in sistemi di imaging e propone un’ampia gamma di lenti conosciute col nome di TECHSPEC® progettate e prodotte in-house. La gamma TECHSPEC comprende una linea completa di lenti a lunghezza focale fissa e una serie di prodotti telecentrici che coprono un’ampia varietà di dimensioni, distanze di lavoro e campi visivi dei sensori. Con più di 150 ingegneri in tutto il mondo, EO possiede anche tutte le competenze tecniche necessarie per progettare e realizzare assemblaggi personalizzati. Dalla scansione dei codici a barre fino all’assemblaggio robotizzato, EO ha aiutato clienti in tutto il mondo a trovare la soluzione giusta per le loro esigenze.
Allestire un sistema di imaging non è un compito facile: ci sono molti fattori da considerare, e un’ampia gamma di componenti fra cui scegliere. L’obiettivo finale, tuttavia, rimane sempre lo stesso, cioè quello di massimizzare le prestazioni del sistema e, allo stesso tempo, ridurre i costi. Gli specialisti EO hanno stilato questo breve elenco di suggerimenti per creare dei sistemi di imaging che siano sofisticati, economici e applicabili a svariate applicazioni.

Assicurarsi di avere abbastanza spazio
Il rapporto fra la distanza di lavoro e il campo visivo è un fattore molto importante di cui tenere conto. Vedendo come la moderna tecnologia fotografica stia diventando sempre più compatta, è facile essere tentati dal realizzare un sistema di imaging nel minor spazio possibile. Questa, però, non sempre è una buona idea perché potrebbe implicare problemi in termini di costi e prestazioni. Come regola generale, è bene ricordarsi che la distanza di lavoro dovrebbe essere fra le due e le quattro volte più grande del campo visivo. La Figura 2 mostra un esempio di un sistema di imaging che segue questa regola, e di uno che la infrange.
In entrambi i casi, le lenti proiettano un campo visivo di 100 mm su dei sensori con le stesse dimensioni. A causa della differenza nella distanza di lavoro, tuttavia, la luce entra nella lente 1a con degli angoli molto più ampi. C’è anche una maggiore variazione nella lunghezza del percorso sul campo visivo, il che significa che la lunghezza della linea blu al centro di 1a è molto più corta rispetto a quella rossa e a quella magenta ai lati della Figura. Questi problemi non solo causano un calo delle prestazioni, ma anche un aumento dei costi, per via della complessità aggiuntiva del design ottico. Per motivi simili, è una buona idea anche mantenere il rapporto fra la lunghezza focale e la diagonale del sensore a due/quattro, in modo da ottenere le migliori prestazioni possibili.
La distanza di lavoro e il campo visivo non sono gli unici fattori a determinare quanto spazio sia necessario per il sistema di imaging. Tra i fattori da considerare ci sono anche una corretta illuminazione e le dimensioni delle lenti. È dunque importante, nei limiti del possibile, pensare sempre e per prima cosa alle necessità di spazio del sistema di imaging. Di solito è molto più facile costruire le parti meccaniche ed elettroniche attorno ai componenti di visione piuttosto che il contrario.

Non dimenticarsi dell’illuminazione
Pur essendo spesso trascurata, l’illuminazione è una parte essenziale di qualsiasi sistema di imaging. Per fare in modo che qualunque lente o sensore funzioni in maniera efficiente, serve una corretta illuminazione per produrre un forte contrasto. La quantità di luce e la geometria del setup sono entrambi elementi importanti, e l’opzione migliore dipenderà dalle caratteristiche dell’oggetto in esame. Il tipo di materiale, la finitura superficiale e gli elementi di interesse possono cambiare completamente il tipo di illuminazione necessaria. È quindi fondamentale comprendere appieno l’oggetto e l’intera gamma di dettagli che il sistema di imaging dovrà rilevare.
Anche la lunghezza d’onda (colore) dell’illuminazione può avere un forte impatto sul risultato finale, ed è un altro aspetto importante di cui tenere conto. Dopo aver investito in lenti e sensori ad alte prestazioni, un altro modo per migliorare ulteriormente il sistema può essere quello passare dalla banda larga a una fonte monocromatica. Inoltre, un’applicazione può particolarmente indicata per una specifica lunghezza d’onda, e passare da lunghezze d’onda più lunghe a lunghezze d’onda più corte (ad esempio, passando dal rosso al blu) potrebbe produrre benefici.

Capire i parametri fondamentali
La vasta gamma di lenti e sensori disponibili sul mercato può spesso confondere. Un buon metodo per iniziare a progettare un sistema è quello di restringere i parametri specifici richiesti dall’applicazione. Una volta decisi alcuni parametri fondamentali, il processo di selezione sarà molto più semplice. La Figura 2 mostra un’illustrazione di questi fondamentali parametri.
Definire il campo visivo e la distanza di lavoro, dovrebbe consentire di giungere a a una selezione gestibile di lenti e fotocamere fra cui scegliere. A questo punto è anche importante comprendere la relazione fra questi parametri, e accettare il fatto che esistono delle limitazioni fisiche a quello che è possibile. Per esempio, è impossibile ottenere sia un’alta risoluzione che una grande profondità di campo. Le leggi della fisica, molto semplicemente, non permettono che questi due fattori coesistano. In situazioni del genere, bisogna trovare dei compromessi, oppure si riveleranno necessarie soluzioni più elaborate, come i sistemi multipli. È anche importante ricordare che non esistono soluzioni universali; questo è vero oggi più che mai. La continua riduzione delle dimensioni dei pixel nei sensori aumenta sempre più le richieste di risoluzione delle ottiche di imaging. Dunque, minimizzare le aberrazioni è diventato sempre più difficile su una vasta gamma di distanze di lavoro e campi visivi. Per questa ragione i produttori di lenti offrono una gamma così ampia di prodotti per applicazioni simili. Ricordarsi di questi tre accorgimenti è importante per assemblare un sistema di imaging efficace ed economico, ottimizzando al tempo stesso le prestazioni.