Inzicht in Lensafwijkingen en Lensvervorming
Gaspar van Elmbt
In de wereld van machine vision is het behalen van nauwkeurige en betrouwbare resultaten sterk afhankelijk van het vastleggen van beelden van hoge kwaliteit. Hoewel industriële camera's en machine vision verlichting cruciale rollen spelen, is de machine vision lens wellicht het belangrijkste onderdeel om ervoor te zorgen dat het beeld het te inspecteren object getrouw weergeeft. Echter, de lenzen zijn niet perfect en de manier waarop zij licht breken en focussen kan leiden tot diverse imperfecties in het resulterende beeld. Deze imperfecties staan bekend als lens aberraties en lens vervorming. Inzicht in deze verschijnselen is essentieel voor ontwerpers en integrators van machine vision systemen om de juiste lens te kiezen en de systeemprestaties te optimaliseren, zodat onnodige investeringen in ongeschikte componenten worden voorkomen.
Table of contents
Wat zijn Lensafwijkingen en Lensvervorming?
Lensafwijkingen zijn afwijkingen van de ideale beeldvorming door een machine vision lens, waardoor het beeld onscherp wordt, kleurfranjes vertoont of andere defecten laat zien die niet aanwezig zijn in het werkelijke object. Ze ontstaan omdat echte lenzen niet alle invallende lichtstralen perfect op één punt kunnen focussen, zelfs niet wanneer ze perfect zijn vervaardigd. Afwijkingen worden over het algemeen ingedeeld in twee hoofdtypen: monochromatische aberratie en chromatische aberratie. In 1857 werden vijf belangrijke typen monochromatische lensafwijkingen gedefinieerd: sferische aberratie, coma, astigmatisme, veldkromming en vervorming. Axiale en laterale chromatische aberraties werden later geïdentificeerd en treden op bij polychromatisch licht.
In een ideale wereld zou een lens alle invallende lichtstralen van één punt op een object naar één corresponderend punt op de beeldsensor focussen, ongeacht de kleur van het licht of waar de straal door de lens passeert. Lensafwijkingen vormen afwijkingen van dit ideale gedrag, waardoor lichtstralen onjuist samenkomen of van positie verschuiven, wat leidt tot onscherpe of vervormde beelden.
Lensvervorming is een specifiek type afwijking waarbij de vergroting van het beeld varieert over het gezichtsveld, waardoor rechte lijnen in het object gebogen lijken in het beeld. Bij geometrische vervorming worden beeldpunten radiaal verplaatst vanaf de optische as, waardoor rechte lijnen gebogen lijken. In tegenstelling tot sommige andere afwijkingen veroorzaakt vervorming geen onscherpte in het beeld, maar verandert het de vorm ervan.
Als u meer wilt weten over lensafwijkingen en lensvervorming, scrol dan gerust naar beneden voor aanvullende informatie.
Bent u geïnteresseerd in het assortiment lenzen dat wij bij VA Imaging aanbieden, of heeft u specifieke vragen? Neem dan gerust contact met ons op. Vul eenvoudig het onderstaande contactformulier in en een van onze teamleden helpt u graag verder.
Inzicht in Lensvervorming
Lensvervorming is, in tegenstelling tot deze scherpteproblemen, een geometrisch verschijnsel waarbij beeldpunten radiaal ten opzichte van de optische as worden verplaatst zonder dat ze noodzakelijkerwijs vervagen. De positie van een punt in een licht vervaagd beeld kan nog steeds worden gemeten als het midden van het vervaagde punt; echter, als die gemeten positie onnauwkeurig is door vervorming, zullen resultaten die afhankelijk zijn van beeldcoördinaten foutief zijn. De meest voorkomende typen vervorming zijn radiaalsymmetrisch. Deze radiale vervormingen vallen doorgaans in twee categorieën: tonvormige vervorming en kussenvormige vervorming.
Significante Lens-aberraties
Hoewel lensvervorming een type lensafwijking is, verschilt het van andere afwijkingen zoals sferische aberratie, coma, astigmatisme en veldkromming, die voornamelijk de scherpte van het beeld beïnvloeden zonder de basisstructuur van het object in het beeld te veranderen (een rechte lijn blijft recht, hoewel mogelijk wazig). Vervorming daarentegen kan de waargenomen vorm van objecten in het beeld fundamenteel veranderen.
Laten we kort enkele van de andere afwijkingen bespreken om dit onderscheid te benadrukken:
Sferische aberratie
Komt vaak voor bij oudere of lenzen van lagere kwaliteit. Het ontstaat wanneer lichtstralen die door de horizontale as van een sferische lens gaan, na het passeren van de lens op verschillende punten samenkomen, afhankelijk van of ze dichter bij het midden of aan de rand van het gezichtsveld passeren. In een perfecte lens zouden alle stralen op hetzelfde brandpunt samenkomen. Het resultaat van sferische aberratie is een onscherp beeld, omdat een enkel punt in het object als een vlek in plaats van als een scherp punt op de sensor wordt afgebeeld. Veel moderne lenzen maken gebruik van asferische lens-elementen, die een kromming hebben die varieert van de rand naar het midden en specifiek zijn ontworpen om lichtstralen te corrigeren en naar één brandpunt te leiden, waardoor sferische aberratie wordt verminderd.
Coma
Een andere aberratie die punten buiten de optische as beïnvloedt. Lichtstralen die door punten verder van de optische as gaan, worden anders gebroken dan die dichter bij de as. Dit zorgt ervoor dat puntbronnen buiten de as vervormd lijken met een karakteristieke traanvormige of komeetachtige vorm op het beeldvlak, vaak groter dan de stralen die door de as gaan. Coma, in combinatie met sferische aberratie, draagt bij aan onregelmatige vormen en vervaging in beelden.
Astigmatisme
Komt voor wanneer een puntobject zich ver van de as van een lens bevindt. Vergelijkbaar met veldkromming omdat het de scherpte van hoek tot hoek beïnvloedt, waarbij de scherpste gebieden zich meestal in het midden bevinden. Astigmatisme beïnvloedt echter ook de vergroting over het gehele beeld, wat vaak leidt tot minder helderheid in de getroffen gebieden dan bij alleen veldkromming. Astigmatisme zorgt ervoor dat lichtstralen die horizontaal en verticaal georiënteerd zijn, verschillende brandpunten hebben. Het verschil tussen deze brandpuntsafstanden, bekend als de astigmatische afstand, dient als maat voor de hoeveelheid astigmatisme in de lens.
Veldkromming
Een veelvoorkomend probleem waarbij het doelobject slechts op bepaalde delen van het beeld scherp lijkt, in plaats van overal binnen het volledige gezichtsveld gelijkmatig scherp te zijn. Meestal is het midden van het beeld scherper en vertoont het een beter contrast dan de randen, die wazig of onscherp lijken. Dit gebeurt omdat het scherptedieptevlak zelf gebogen is en de lens een vlak object afbeeldt op een gebogen oppervlak. Omdat digitale camera's vlakke beeldsensoren hebben, leidt het vastleggen van dit gebogen beeld tot vervaging aan de randen. De meeste, zo niet alle, lenzen vertonen in zekere mate veldkromming, waarbij lenzen van hogere kwaliteit doorgaans minder hiervan laten zien. Bij lenzen met meerdere elementen kan veldkromming soms 'golfachtig' zijn, wat betekent dat het beeld scherp kan zijn in het midden en in de hoeken, maar minder scherp op tussenliggende punten.
Chromatische aberratie
Komt voor bij imaging met polychromatisch (kleur) licht. Dit gebeurt omdat de brekingsindex van het lensmateriaal licht varieert afhankelijk van de golflengte (kleur) van het licht. Aangezien de brekingsindex verschilt voor verschillende kleuren (bijvoorbeeld groter voor blauw licht dan voor rood licht), worden verschillende golflengten verschillend gefocusseerd. Er zijn twee typen:
- Axiale chromatische aberratie treedt op omdat verschillende golflengten op verschillende punten langs de optische as worden gefocusseerd. Dit leidt tot wazige kleuren zowel voor als achter de ideale focuspositie. Deze variatie in brandpunten voor verschillende kleuren is meer merkbaar aan de randen en hoeken van het beeld waar de helderheid hoger kan zijn.
- Laterale chromatische aberratie ontstaat doordat verschillende golflengten in verschillende mate worden vergroot. Dit resulteert in kleurfranjes rond details met hoog contrast in het beeld. Deze franjes kunnen verschijnen als fijne details die vervagen met tegengestelde kleuren (bijvoorbeeld rode en cyaan franjes) aan beide zijden. Laterale chromatische aberratie wordt vaak waargenomen aan de randen en hoeken van beelden, vooral bij lenzen met een grote diafragmaopening. Het is belangrijk op te merken dat deze aberratie wordt veroorzaakt door de lens, niet door de camera sensor.
Methoden voor het minimaliseren of elimineren van Lensvervorming
- Lensontwerp: Hoewel het bereiken van een "perfecte" lens onmogelijk is, gebruiken lensontwerpers technieken om vervorming en andere aberraties te verminderen. Het gebruik van meerdere lens-elementen of het integreren van asferische oppervlakken kan hierbij helpen. Het ontwerpen van lenzen met geschikte vormen en materialen kan aberraties zoals coma minimaliseren.
- Diafragma: Het plaatsen van een diafragma kan helpen om sferische aberratie te minimaliseren. Diafragma’s kunnen ook worden gebruikt om vervorming te minimaliseren of te elimineren. Het symmetrisch positioneren van een diafragma tussen twee lenzen kan helpen om tegengestelde typen vervorming te compenseren (bijvoorbeeld tonvormig door de ene lens en kussenvormig door de andere). Het verkleinen van de diafragma-opening vermindert de hoeveelheid licht die door de buitenranden van sferische lenzen gaat, waardoor de kans op aberraties en vervorming afneemt, hoewel dit invloed heeft op belichting en contrast.
- Het selecteren van geschikte Lensen: Het kiezen van Lensen die bekend staan om hun lage vervorming is een directe manier om het probleem te vermijden. Voor taken waarbij metingen betrokken zijn, kan het gebruik van een macrolens die is ontworpen voor close-up fotografie, en vaak goed gecorrigeerd is voor vervorming, voordelig zijn. Het gebruik van een brandpuntsafstand die minder gevoelig is voor vervorming voor de specifieke lens, zoals het bereik van 35-55mm op sommige camera’s, kan ook helpen.
- Softwarecorrectie: Dit is een krachtige en veelgebruikte methode, vooral in digitale fotografie en computer vision. Softwarecorrectie vereist het uitvoeren van camera-calibratie om de vervormingscoëfficiënten van de lens te bepalen. Dit houdt in het gebruik van calibratiedoelen (zoals dambordpatronen) met bekende 3D-punten en hun overeenkomstige beeldprojecties (Voor het controleren van de vervorming van uw lens raden wij aan ons dambordpatroon te gebruiken, dat hier kan worden gedownload, Gratis Testkaart). Na calibratie worden de vervormingsparameters gebruikt om het beeld te corrigeren. Software kan worden gecalibreerd (met behulp van bestaande lensprofielen) of handmatige aanpassing van parameters toestaan. Bibliotheken zoals OpenCV bieden functies voor camera-calibratie en het corrigeren van vervormde beelden. Het proces omvat doorgaans het uitvoeren van calibratie om intrinsieke parameters (inclusief vervormingsparameters) te verkrijgen, het verfijnen van de cameramatrix om het ontdane beeld te optimaliseren, en vervolgens het toepassen van het correctieproces. Sommige camerasystemen voeren automatische vervormingscorrectie uit met behulp van parameters die zijn opgeslagen in de lensfirmware.
Voor nauwkeurige machine vision en computer vision applicaties is het aanpakken van lensvervorming essentieel. Hoewel het selecteren van goed ontworpen Lensen het probleem vooraf kan minimaliseren, zijn camera-calibratie en softwarecorrectie vaak noodzakelijk, vooral bij kwantitatieve taken. Inzicht in de aard van verschillende vervormingstypen en de beperkingen van de gebruikte modellen voor correctie is belangrijk om de betrouwbaarheid van beeldanalyse-resultaten te waarborgen.
Afsluitende Lensafwijkingen en Lensvervorming
Lensafwijkingen en vervorming zijn inherente optische verschijnselen die de beeldkwaliteit in machine vision applicaties aanzienlijk kunnen beïnvloeden. Van de vervormingseffecten van ton- en kussenvormige vervorming tot de vervaging veroorzaakt door sferische aberratie, coma en astigmatisme, en de kleurafwijkingen door chromatische aberratie, elk type brengt unieke uitdagingen met zich mee. Veldkromming beïnvloedt de uniforme scherpte over het gehele beeld. Door deze effecten te begrijpen, te weten hoe ze worden veroorzaakt door het lensontwerp en hoe ze kunnen worden geminimaliseerd door lensselectie en systeemconfiguratie (zoals het aanpassen van het diafragma), kunnen ontwerpers en integratoren weloverwogen beslissingen nemen om ervoor te zorgen dat de gekozen lens is geoptimaliseerd voor de specifieke camera en application-eisen.
