Нужен ли для измерения телецентрический объектив и как его выбрать

Коротко

Оцените, насколько обычный объектив меняет измеряемый размер детали вне плоскости калибровки: длина × смещение по высоте ÷ (рабочее расстояние − фокусное расстояние). Если результат мал по сравнению с бюджетом погрешности (долей допуска на деталь, отведённой системе технического зрения), откалибруйте обычный объектив и измерьте детали на крайних высотах. Уложились в бюджет — оставляйте его. Если одна эта оценка съедает весь бюджет или взгляд под углом прячет кромку, видную при взгляде прямо, закладывайте телецентрический объектив. Выбирайте его по увеличению: поле зрения (размер сенсора ÷ увеличение) должно вместить деталь с разбросом её установки, а глубина — диапазон высот.

Почему обычный объектив ошибается на деталях разной высоты

Обычный объектив с постоянным фокусным расстоянием для промышленной автоматизации часто называют FA-объективом. Он энтоцентрический: видит в перспективе, и ближняя деталь выглядит крупнее. Калибровка задаёт миллиметры на пиксель для одной высоты. Меняется высота — меняется масштаб, и тот же диаметр измеряется иначе.

Наши калькуляторы оценивают это изменение в приближении тонкой линзы:

|ΔL| ≈ L × |Δz| / (WD − f)

L — измеряемая длина, f — фокусное расстояние. Δz — смещение детали от плоскости калибровки вдоль оси объектива. Оно равно всему разбросу высот, только если калибровали по самой высокой или самой низкой детали. WD — рабочее расстояние от главной плоскости объектива до детали, как объяснено в статье о выборе объектива под заданное расстояние. Результат — чувствительность показания к высоте, а не измеренная погрешность. С координатами кромок то же самое. Масштаб меняется относительно оси объектива, поэтому кромка у края поля смещается сильнее, чем в центре.

Перспектива ещё и показывает боковые стенки высоких элементов. Вдали от центра кадра обычный объектив немного заглядывает в отверстие или вдоль стенки, и стенка может закрыть измеряемую кромку.

Когда обычного объектива достаточно

Обычный объектив для измерений не запрещён. Если оценка мала по сравнению с бюджетом погрешности, откалибруйте систему на опорной высоте. Затем измерьте реальные детали в самом высоком и самом низком положении. Если погрешность после калибровки укладывается в бюджет, оставляйте объектив и запишите, какой бюджет и какую калибровку приняли. Оснастка, которая прижимает деталь к неподвижной базовой поверхности, уменьшает Δz, а с ним и оценку.

Что исправляет телецентрический объектив, а что нет

Главные лучи проходят через центр диафрагмы объектива. У объектива, телецентрического со стороны объекта, они перед деталью идут почти параллельно. Поэтому в заявленном диапазоне высота почти не меняет масштаб. Отверстия и стенки он видит почти прямо, и кромка, скрытая при взгляде под углом, может снова появиться. Остаточный наклон лучей называют углом телецентричности. Это паспортная величина, и она не равна нулю.

У бителецентрического объектива главные лучи почти параллельны ещё и со стороны сенсора. Opto Engineering описывает два следствия по сравнению с объективом, телецентрическим только со стороны детали. Форма изображения точки может меньше различаться в разных участках сенсора. А увеличение может меньше меняться, когда деталь уходит из фокуса. Это свойство конструкции, а не цифра для конкретного объектива. Поэтому и бителецентрический объектив оценивают по паспорту и испытанию на разных высотах.

Ни тот, ни другой тип не убирает дисторсию, то есть изменение масштаба по полю, и не отменяет калибровку. Ни один не покажет кромку, которую закрывает сама деталь, например под нависающим выступом.

Что сравнивать в паспорте телецентрического объектива

• Увеличение — размер изображения на сенсоре, делённый на размер объекта. Поле зрения по каждой оси равно размеру сенсора, делённому на увеличение. Размер пикселя на детали равен размеру пикселя сенсора, делённому на увеличение. У каждого объектива в примере своё фиксированное увеличение. Бывают и телецентрические объективы с переменным увеличением (Edmund Optics), так что берите значение для своей конфигурации.
• Рабочее расстояние задаёт объектив, и станок строят под него: у MVL-MY-05-110C-MP это 110 ± 2 мм (из паспорта). Поверхность, от которой его отсчитывают, берите с чертежа производителя. Проверьте, хватает ли места для подсветки и оснастки.
• Глубина бывает двух видов. Глубина резкости — диапазон, в котором изображение остаётся достаточно резким при указанной диафрагме и критерии. Телецентрическая глубина — диапазон, в котором сохраняется заявленное увеличение или выполняется критерий измерения. Глубина телецентрического объектива зависит от увеличения, рабочего диафрагменного числа, длины волны, размера пикселя и алгоритма поиска кромки (Opto Engineering). Поэтому цифра глубины справедлива только для своего критерия. Как проверить глубину, разобрано в статье о глубине резкости для всех положений детали.
• Круг изображения — круглая область, которую объектив по паспорту формирует на сенсоре. Он должен перекрывать диагональ активной области сенсора, как объяснено в статье о совместимости объектива с камерой. Иначе круг обрежет поле, рассчитанное по ширине сенсора (Opto Engineering).
• Разрешение на детали складывается из двух частей. Дискретизация, то есть число пикселей на миллиметр детали, — простая арифметика. А что объектив реально различает, говорит его паспортное разрешение или кривая частотно-контрастной характеристики (ЧКХ). Она показывает, какой контраст сохраняется на элементах изображения каждого размера. Ни то, ни другое не равно точности измерения.
• Угол телецентричности берите из полного паспорта на точный артикул. В таком паспорте, как у объектива 0,20× от Edmund Optics, указаны и критерии для ЧКХ и глубины.
• Коаксиальная подсветка — свет, направленный вдоль оси объектива. Она отделяет плоскую блестящую поверхность от углублений, которые становятся тёмными (KEYENCE). Для таких поверхностей её можно применить, но не обязательно.

Как измерить отверстие 10 мм при разбросе высоты детали

Допустим, вы измеряете отверстие диаметром около 10 мм с бюджетом погрешности ±0,05 мм. Калибруете по самой низкой детали, а самая высокая стоит на 1 мм ближе к объективу. Все три значения — допущения этого примера.

Хватит ли обычного объектива? Возьмём обычный объектив 25 мм и плоскость калибровки на рабочем расстоянии 200 мм (допущение). Формула даёт 10 мм × 1 мм / (200 мм − 25 мм) ≈ 57,1 мкм (рассчитано). По этой оценке вклад одной перспективы уже превышает бюджет 0,05 мм. Если бы оснастка держала каждую деталь в пределах 0,1 мм от плоскости калибровки, оценка упала бы примерно до 5,7 мкм (рассчитано). Тогда откалиброванный обычный объектив стоило бы испытать. Здесь деталь так не удержать (допущение), поэтому закладываем телецентрический объектив.

Поле и масштаб. Связка A — объектив 0,5× MVL-MY-05-110C-MP на камере MV-CA032-10GM. Связка B — бителецентрический объектив 0,158× MVL-MBT-0158-178 на камере MV-CA050-12UM. Числа рассчитаны по паспортному увеличению, а установленный объектив проверяют при приёмке.

Что с этим делать. Связка A видит деталь подробнее: бюджет 0,05 мм занимает около 7,2 пикс. Но поле у неё всего 10,6 мм по высоте. С каждой стороны отверстия остаётся около 0,3 мм (рассчитано), так что оснастка должна ставить каждую деталь с такой точностью. У связки B поле с запасом, но бюджет занимает всего около 2,3 пикс. По этим числам связки сравнивают между собой, но не принимают. Как дискретизация связана с точностью, разобрано в статье сколько пикселей нужно на элемент.

Обе глубины по паспорту больше 1 мм разброса высот, так что на бумаге резкость на этом диапазоне выглядит достижимой. Но сравнивать их между собой нельзя. У объектива 0,5× в каталоге рядом с 2,98 мм стоит F9,3, а критерий не назван. У объектива 0,158× указано F4,9, но глубина ±17,6 мм дана при F11. Прежде чем выбирать по глубине, узнайте критерий каждой цифры.

У связки B круг изображения перекрывает диагональ сенсора с запасом всего 0,39 мм. На бумаге сенсор покрыт, но углы кадра проверьте на конкретной сборке. Объектив 0,5× по паспорту поддерживает коаксиальную подсветку (coaxial: yes): испытайте её, если поверхность вокруг отверстия плоская и блестящая.

Приёмка связки. Откалибруйте систему на опорной высоте. Затем измерьте одни и те же реальные детали на обеих крайних высотах. Связку принимают, если погрешность после калибровки и повторяемость укладываются в бюджет ±0,05 мм на обеих высотах, а кромка видна чётко. Заодно испытание покажет, насколько уплывает масштаб на этом 1 мм. Паспортные глубины этого не говорят.

Рассчитать для своего случая

Для своего объектива таблицу заполняют вручную по формулам из пункта «Увеличение». Пикселей на миллиметр — число пикселей, делённое на поле. Оценку перспективы и запас круга изображения над диагональю тоже посчитайте сами.

Увеличение и дискретизацию из таблицы воспроизводит запрос к API (программному интерфейсу) наших инструментов для связки A или связки B. Значения values.magnification, values.pxPerMm и values.objectPixelUm совпадут с таблицей.

Ссылки на калькулятор поля зрения для связки A и связки B запускают подбор обычного объектива. Для A страница рассчитывает поле около 15,1 × 11,4 мм при 135,3 пикс./мм для объектива 35 мм. Для B — около 66,7 × 55,8 мм при 36,7 пикс./мм для объектива 20 мм. Поле, дискретизация и вывод на экране относятся к подобранному обычному объективу.

Оборудование под этот пример

Камеры MV-CA032-10GM и MV-CA050-12UM задают размеры сенсора в примере. MVL-MY-05-110C-MP входит в семейство телецентрических объективов 2/3 дюйма, а MVL-MBT-0158-178 — в семейство бителецентрических. Другие модели — в компактном и крупноформатном семействах. Прежде чем собирать связку, сверьте тип крепления на страницах камеры и объектива.

Частые ошибки

• Поле планируют только по ширине сенсора, а углы кадра выходят тёмными или нерезкими. Сравнивайте круг изображения с диагональю активной области. Если запас мал, как 0,39 мм у связки B, проверяйте снимки углов.
• Объективы выбирают по паспортной глубине, 2,98 мм против ±17,6 мм, а детали на краях диапазона высот измеряются иначе, чем в середине. Сравнивайте глубину каждой сборки при её рабочей диафрагме и одинаковом критерии качества. Учитывайте, сколько света и разрешения оставляет эта диафрагма. Масштаб проверяйте на обеих крайних высотах.
• Пиксель 6,9 мкм на детали выдают за точность системы. Калибруйте по мишени на опорной высоте и указывайте остаточную погрешность на всём диапазоне высот.

Где заканчивается применимость расчёта

Формула — приближение тонкой линзы для малых изменений высоты. Точный расчёт поля тонкой линзы в обеих плоскостях даёт для 1 мм около 57,5 мкм против 57,1 мкм по формуле (рассчитано). В любом случае погрешность измерительной системы покажет только испытание на реальных деталях после калибровки.

Телецентричность действует только в указанном производителем диапазоне: за пределами телецентрической глубины заявленное увеличение не гарантировано.

Чем крупнее деталь, тем меньше нужно увеличение и тем меньше пикселей на миллиметр на той же камере. Если ни одно приемлемое телецентрическое поле не вмещает деталь, вернитесь к откалиброванному обычному объективу и оснастке, которая держит высоту.

Следующий шаг

Пришлите модель камеры, измеряемый элемент и его размер, бюджет погрешности, диапазон высот с высотой калибровки и место под объектив. Мы оценим, как перспектива меняет масштаб у обычного объектива, и рассчитаем поле и масштаб для телецентрических кандидатов. По полным паспортам этих артикулов подтвердим поверхность отсчёта рабочего расстояния, критерий и диафрагму для глубины, угол телецентричности, круг изображения и разрешение. Если хватит откалиброванного обычного объектива, так и скажем.

Похожие материалы

• Как рассчитать фокусное расстояние и поле зрения, когда рабочее расстояние задано станком
• Как проверить, подходит ли объектив к камере: круг изображения, диагональ сенсора и крепление
• Как выбрать диафрагму, чтобы глубины резкости хватило на все положения детали
• Сколько пикселей нужно на дефект или размер: решите это до выбора камеры

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.