Calcular la Resolución del Sensor de la Cámara y la Longitud Focal del Lente

Visión General

Este artículo lo ayudará a calcular la longitud focal correcta del lente y la resolución del sensor de la cámara para adquisición de imágenes.

Contenido

Introducción

Primero, defina estos términos básicos para su situación:

  • Campo de visión (Field of view, FOV): área bajo inspección que la cámara necesita adquirir
  • Característica más pequeña: el tamaño de la característica más pequeña que desea detectar en la imagen
  • Distancia de trabajo (Working distance, WD): distancia desde la parte frontal del lente hasta el objeto bajo inspección

Vea las siguientes imágenes para referencia:

 

Siga dos pasos principales para elegir la resolución de la cámara mínima requerida y para determinar la distancia focal correcta para su aplicación.

  1. Calcular la resolución mínima del sensor: Conocidendo el campo de visión y la característica más pequeña que desea detectar.
  2. Seleccione una cámara: Una vez que se selecciona la cámara, puede usar el tamaño del sensor para calcular la longitud focal.

 

Resolución del Sensor

La resolución de una imagen es el número de píxeles en la imagen. Esto está en dos dimensiones; por ejemplo 640X480. Los cálculos se pueden hacer para cada dimensión por separado; pero, por simplicidad, a menudo se reduce a una dimensión.

Para realizar una medida precisa de la imagen, debe usar un mínimo de dos píxeles por cada característica más pequeña que desee detectar. Para realizar el cálculo de la resolución mínima del sensor, multiplique dos (píxeles/característica más pequeña) por el tamaño (en unidades del mundo real) del campo de visión dividido por el tamaño de la característica más pequeña como se muestra en la siguiente ecuación:

Calcular la resolución del sensor:

  • Ejemplo 1: Mi FOV es de 100 mm y mi característica más pequeña es de 1 mm. Siguiendo la ecuación, la resolución mínima necesaria del sensor es de 200 píxeles. Una cámara con una resolución de 640x480 funcionará porque 200 es menor que la dimensión más pequeña, que es 480.
  • Ejemplo 2: Mi FOV es de 500 mm x 600 mm y mi característica más pequeña es de 2 mm. En general, se supone que la característica más pequeña es redonda con este diámetro de 2 mm. Siguiendo la ecuación, la resolución mínima del sensor es 500X600. El sensor de 640X480 no será suficiente. Una resolución de sensor de 1024X768 o 1280X1024 sería más apropiada en este caso.

La ecuación se puede modificar para resolver cualquier otra variable siempre que se conozcan tres variables.

 

Tamaño del Sensor

El tamaño del sensor se refiere al tamaño físico del sensor y, por lo general, no se indica en las hojas de especificaciones. La mejor manera de determinar el tamaño del sensor es mirar el tamaño de píxel en el sensor y multiplicar por la resolución.

Calcular el tamaño del sensor:

  • Ejemplo 3: De acuerdo con el manual del usuario de la cámara, el Basler acA1300-30um tiene un tamaño de píxel de 3,75 x 3.75um y una resolución de 1296 x 966 píxeles. El tamaño del sensor es de 3.75um x 1296 por 3.75um x 966 = 4,86 x 3.62mm.

 

Formato del Sensor

El formato del sensor se refiere al tamaño físico del sensor, pero no depende del tamaño del píxel. Esta especificación se utiliza para determinar con qué lente es compatible la cámara. Para que un lente sea compatible con una cámara, el formato del lente debe ser mayor o igual al formato del sensor. Si se usa una lente con un formato más pequeño, la imagen experimenta el viñeteado; esto hace que las regiones del sensor fuera del área de formato del lente estén oscuras.

 

 

Longitud Focal

Generalmente, los lentes tienen longitudes focales fijas. Además, es común que la distancia de trabajo sea flexible, por lo que para cálculos simples comience con una relación de distancia de trabajo a longitud focal. Esto le permitirá utilizar longitudes focales específicas de la lente para determinar la distancia de trabajo necesaria. Si la distancia de trabajo es limitada, entonces, al invertir esta relación, obtenemos la relación de la longitud focal a la distancia de trabajo. Esto le permitirá utilizar un rango de opciones de distancia de trabajo para obtener un rango de longitud focal. Luego, una vez que se selecciona un lente, puede recalcular la distancia de trabajo exacta necesaria.

Estos cálculos se basan en la siguiente ecuación:

Calcular la Longitud Focal:

  • Ejemplo 4 (Uar la distancia de trabajo flexible): Mi FOV es de 508 mm x 381 mm, el tamaño de mi sensor es de 8.47 mm (diagonal). La relación entre la distancia de trabajo y la longitud focal es de 381 mm/8.47 mm = 45:1. Por lo tanto, si elijo una longitud focal de 25 mm (que es aproximadamente 1"), se requiere una distancia de trabajo de aproximadamente 1140 mm (45"). Si la distancia de trabajo máxima disponible es de 889 mm (35 "), al invertir la relación (1:45) se obtiene la longitud focal máxima de 35/45 = 19.76 mm (7/9"), por lo que una longitud focal de 16 mm será suficiente. Al invertir el cálculo se obtiene una distancia de trabajo requerida de aproximadamente 711.2 mm (28 ").
  • Ejemplo 5 (Uso de la distancia de trabajo fija): Mi FOV es 609.6mm x 609.6mm, mi formato de sensor es 12.7mm (diagonal) y mi distancia de trabajo es 1016mm. Para ser exactos en la resolución de la longit focal, debe conocer la relación de aspecto del sensor. Si no es necesario que sea exacto, la diagonal servirá. Resolver la ecuación anterior para la longitud focal será (12.7X1016) /609,6 = 21.2mm. Esta no es una longitud focal común del lente, por lo que se debería ajustar la distancia de trabajo o un lente no estándar que permita al usuario variar la longitud focal que se requiere.

Los lentes se fabrican con un número limitado de longitudes focales estándares. Las longitudes focales de los lentes comunes incluyen 6 mm, 8 mm, 12,5 mm, 25 mm y 50 mm. Una vez que elija un lente cuya longitud focal sea la más cercana a la longitud focal requerida por su sistema de imágenes, debe ajustar la distancia de trabajo para enfocar el objeto bajo inspección.

Nota: los lentes con longitudes focales cortas (menos de 12 mm) producen imágenes con una distorsión significativa. Si su aplicación es sensible a la distorsión de la imagen, intente aumentar la distancia de trabajo y use un lente con una mayor longitud focal. Si no puede cambiar la distancia de trabajo, está un poco limitado en la elección de un lente.

Para su cámara Basler, use la herramienta Selector de Lentes Basler.