Как выбрать диафрагму, чтобы глубины резкости хватило на все положения детали

Коротко

Наведите фокус на середину разброса положений детали. Возьмите наименьшее диафрагменное число, при котором расчётная глубина резкости перекрывает все положения с вашим запасом. Чем больше это число, тем меньше отверстие: глубина растёт, но света меньше, а пятно дифракции крупнее. Выбранная диафрагма — лишь кандидат, пока реальное чтение кода или измерение не пройдёт в обоих крайних положениях. Если ни при одном значении диафрагмы задача не решается, уменьшите увеличение: более широкое поле прибавляет глубину быстрее, чем диафрагма.

Что показывает расчётная глубина резкости

Глубина резкости — насколько деталь может сместиться вдоль оси объектива около фокуса, пока снимок ещё годится для вашей задачи. Глубина фокуса — другое понятие: допуск у плоскости сенсора.

Калькулятор судит о резкости по кружку размытия — самому крупному пятну на сенсоре, которое он ещё принимает. Мы задали его в два пикселя. На камере из примера с пикселем 3,45 мкм это 6,9 мкм (рассчитано). Такой порог — наш выбор для модели, а не предел из стандарта. Формула приведена на справочной странице калькулятора.

Результат — один полный интервал, который модель тонкой линзы делит поровну по обе стороны от фокуса. Его половины — не измеренные ближняя и дальняя границы. Резкость падает плавно: деталь, вышедшая за границу на миллиметр, ещё может пройти проверку, а внутри, у самой границы, успех не гарантирован.

Как выбрать диафрагму: свет и дифракция

Диафрагма — регулируемое отверстие объектива. Диафрагменное число равно фокусному расстоянию, делённому на диаметр входного зрачка — отверстия диафрагмы, каким его видно спереди объектива. Чем больше число, тем меньше отверстие и тем больше глубина резкости.

При закрывании диафрагмы на сенсор попадает меньше света: F5,6 пропускает вчетверо меньше, чем F2,8 (Edmund Optics). Недостаток света компенсируют более длинной выдержкой (временем накопления кадра), более ярким освещением или большей энергией импульса. Смаз — след движения детали на снимке. При постоянном свете выдержку ограничивает допуск смаза, который вы рассчитали и проверили. Если почти весь свет даёт импульсная подсветка, импульс останавливает движение. Тогда выдержка камеры может быть длиннее этого предела. Но импульс должен укладываться в допуск смаза и попадать в интервал, когда экспонируются все используемые строки сенсора. Посторонний свет не должен оставлять шлейфа. Подробнее — в статье о выдержке, смазе и импульсной подсветке.

Закрывание диафрагмы также усиливает дифракционное размытие. На краю отверстия свет расходится, поэтому даже идеальный объектив рисует точку пятном — диском Эйри. Его диаметр — примерно 2,44 × длина волны × диафрагменное число. При 520 нм это 3,6 мкм для F2,8, 7,1 мкм для F5,6 и 14,0 мкм для F11 (Edmund Optics). На камере из примера такие пятна занимают около 1, 2 и 4 пикселей (рассчитано).

Но при закрывании диафрагмы снимок сначала может и улучшиться: уменьшаются аберрации — размытие, заложенное в конструкцию объектива. Дифракция берёт верх позже. Поэтому диафрагму выбирайте по снимкам своей тестовой мишени.

Что значит «достаточно резко»

При чтении кодов декодер — программа распознавания — должен выдавать нужный результат на типичных кодах. Проверяют это при реальном освещении и во всём диапазоне глубины. Кружок в два пикселя — не класс качества кода: качество 2D-кодов оценивают по ISO/IEC 15415:2024. Производители считывателей задают требования к изображению для каждого изделия, а единой границы глубины не дают. Поэтому в каждом положении по глубине считайте удачные чтения и отказы.

При измерении калибровка пересчитывает координаты изображения в миллиметры. Погрешность после калибровки и повторяемость должны в каждом положении детали укладываться в долю допуска, отведённую системе технического зрения. Повторяемость — разброс результатов повторных измерений в одинаковых условиях. Точность калибровки зависит от качества краёв, калибровочной мишени, объектива, крепления, качества изображения и программного инструмента. Поэтому проверяйте систему целиком. Постройте графики погрешности и повторяемости по глубине. Чем ближе деталь к объективу, тем крупнее она на снимке. Сколько пикселей нужно элементу детали, разобрано в статье о дискретизации и точности.

Как проверить крайние положения и что менять

Наведите фокус на опорную плоскость — середину разброса положений детали. Возьмите одну типичную мишень и запустите реальное чтение или измерение после калибровки в ближнем и дальнем положениях. С каждым результатом записывайте диафрагму, освещение и выдержку: подстраивать их придётся совместно. Если крайнее положение не проходит, попробуйте три способа.

• Проверьте, где фокус на самом деле. Переставляйте мишень по всем положениям и найдите, где задача решается лучше всего. Если навести фокус на ближнюю к объективу грань детали, половина интервала уйдёт впустую перед ней.
• Уменьшите увеличение — отношение размера сенсора к размеру поля зрения. Поле зрения — участок детали, который видит камера. Более широкое поле прибавляет глубину быстрее, чем диафрагма, но на деталь придётся меньше пикселей. Подробнее — в статье о выборе объектива при заданном рабочем расстоянии.
• Уменьшите сам разброс. Упор, направляющая или опорная пластина прижимают деталь к известной плоскости.

Какая диафрагма покроет разброс 20 мм на расстоянии 500 мм

Камера — MV-CA050-12UM: 2448 × 2048 пикселей размером 3,45 мкм (из паспорта). Отсюда активная область сенсора — 8,45 × 7,07 мм (рассчитано).

Дальше — допущения примера. Объектив 25 мм считаем тонкой линзой и фокусируем на опорной плоскости с рабочим расстоянием 500 мм от главной плоскости объектива. Положение детали меняется в пределах ±10 мм от опорной плоскости, и с каждой стороны нужен запас 2 мм. Значит, интервал должен покрывать ±12 мм. Расчётное поле зрения — 160,5 × 134,2 мм, увеличение 1:19.

F5,6 — первое значение, которое проходит оба требования. Это кандидат, а не доказанный минимум: значения между этими четырьмя и за их пределами не рассчитаны. В эту арифметику не входят освещение, выдержка, результат задачи и ЧКХ — частотно-контрастная характеристика объектива. Она показывает, какой контраст объектив передаёт на элементах изображения каждого размера.

Рассчитать для своего случая

Готовая ссылка открывает калькулятор с камерой, полем зрения и рабочим расстоянием из примера. Дальше подставьте свои значения. Элемент 0,1 мм, 5 пикселей на элемент и скорость 0 мм/с в ссылке нужны для других задач. Поля для диафрагмы на странице нет, поэтому интервалов из таблицы она не покажет.

Сравнить диафрагмы можно через API наших инструментов (программный интерфейс). Его раздел optics принимает параметр fNumber. Запрос с той же геометрией при F4 и F5,6 возвращает values.depthOfFieldMm около 21,0 и 29,4 мм (рассчитано). Подставьте свои пять значений и записывайте диафрагменное число рядом с каждым результатом.

Какие объективы проверить по диафрагме и кругу изображения

У четырёх объективов 25 мм с креплением C-mount шкала диафрагмы включает все значения из таблицы (из паспорта). Круг изображения — освещённый круг, который объектив проецирует на сенсор.

Отметка на шкале доказывает только одно: диафрагму можно туда поставить. Пришлите нам артикул объектива, и мы проверим диапазон фокусировки, крепление и остальные данные его паспорта.

Частые ошибки

• Расчётный интервал принимают за доказательство, и на первой же партии детали у ближнего и дальнего краёв не проходят. Принимайте настройку только после проверки во всём диапазоне глубины на реальной задаче.
• Слова «наименьшее диафрагменное число» понимают как «наименьшая диафрагма», то есть ровно наоборот. Диафрагму закрывают до упора, и участок контроля теряет свет ради глубины, которая никому не нужна. Называйте конкретное диафрагменное число, а также диапазон и запас, под которые его выбрали.
• Берут F11, потому что при ней интервал почти втрое шире разброса. В итоге кадру нужно больше усиления, а контраст на краях элементов не растёт, а падает. Пятно дифракции при F11 — около 4 пикселей (рассчитано). Сравнивайте настройки на реальной мишени.

Где правило ломается

Модель тонкой линзы ничего не знает о вашем объективе: любой объектив 25 мм получит одно и то же число. Если поле шире сенсора больше чем в 1000 раз, модель отказывается считать, а не выдаёт бесконечный интервал.

Если принять кружок размытия меньше, расчётный интервал сузится, а если больше — расширится. Но рабочий диапазон декодера или измерительной системы этим не задаётся. Он зависит от контраста, освещения, качества кода, аберраций, движения и калибровки. Его надо измерить. Резкость по геометрической модели — ещё не контраст. У объектива, который модель считает резким, ЧКХ на вашем элементе может оказаться слишком низкой. Уровень освещения, энергия импульса, выдержка, усиление и пропускание объектива в расчёт не входят. Поэтому даже отмеченная на шкале диафрагма может дать слишком тёмный кадр при выдержке, которую допускает ваша линия.

Следующий шаг

Пришлите модель камеры или размер активной области её сенсора, поле зрения и рабочее расстояние. Добавьте разброс положений детали, ваш запас и критерий приёмки. Мы рассчитаем интервал для разных диафрагм и назовём объективы-кандидаты с нужными значениями на шкале. И подскажем, что снять в крайних положениях.

Похожие материалы

• Как рассчитать фокусное расстояние и поле зрения, когда рабочее расстояние задано станком
• Сколько пикселей нужно на дефект или размер: решите это до выбора камеры
• Как рассчитать выдержку для движущейся детали и решить, нужна ли импульсная подсветка

Как подготовлен материал

Материал подготовлен MVisionPro по указанным источникам и с помощью расчётного ядра MVisionPro. Физический тест указан только там, где он действительно проводился. Как мы готовим материалы.

Статус проверки: Проверено. Обновлено 2026-10-07.