Visión Artificial, consejos-2

PROCESAMIENTO DE IMÁGENES: CONSEJOS ÚTILES

Vol. 2 Lentes #2

AMIENTO GEOS ÚTILES

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CONSEJOS ÚTILES PARA EL PROCESAMIENTO DE IMÁGENES Vol. 2 Lentes #2

05 Profundidad de campoLa profundidad de campo se entiende como la zona que aparece

enfocada cuando se observa a través del lente (distancia del lado del

objeto). Cuando la zona es amplia, se habla de una "gran profundidad

de campo". Por el contrario, si el rango es estrecho, se habla de una

"profundidad de campo estrecha". Aunque, en sentido estricto, sólo un

área puede estar en foco, para el ojo humano las imágenes en cierto

rango parecen formarse claramente. A este rango se le denomina

profundidad de campo.

COLUMNA 1¿Un CCD, cuyo tamaño por píxel (tamaño de celda) es grande,tiene una gran profundidad de campo?

Lógica detrás de la profundidad de campoDaremos una explicación mediante un ejemplo, en el cual un CCD se utiliza como el elemento receptor de la imagen. Es fácil saber si una imagen está borrosa por el tamaño de los píxeles individuales (tamaño de celda individual) en el CCD. La imagen 1 muestra el estado en el que se obtiene ópticamente el mejor enfoque. El ápice de la luz refractada por el lente coincide perfectamente con la parte superior del CCD, siendo esto el estado ideal.

¿Y qué hay de las imágenes 2 y 3?

La posición del ápice de la luz no coincide con la posición del CCD, pero tampoco cubre celdas vecinas del CCD.

Las imágenes 1 a 3 están en realidad todas en foco.

Esto se debe a que, incluso si el tamaño del punto focal dentro del área de un solo píxel CCD fl uctúa, las imágenes transmitidas a través de señales electrónicas no se verán refl ejadas en absoluto (no se entenderán). De esta manera, el intervalo cambiante de la distancia de trabajo, que limita el tamaño del punto focal a un rango defi nido, se llama profundidad de campo.

En otras palabras, cuando se utiliza el mismo tamaño y mismo aumento óptico, como el rango permitido en el cual los CCDs con mayor tamaño de píxel es amplio, tiene una gran profundidad de campo.

S1 = Distancia focal + Grosor del anillo de aproximaciónS2 = Distancia de trabajo

1 pixel CCD

En la siguiente imagen, se muestra un plano inclinado al que se le ha colocado una cinta que exhibe la altura. A la izquierda de esta imagen, se presenta una comparación entre un caso en el cual la apertura se redujo y otro en la que se abrió.

Campo de visión

Cámara

15 mm

Inclinación de 45°

Cinta (3 mm)

Cuando la apertura se reduce (CA-LH25)

Cuando la abertura se agranda(CA-LH25)

S1

S1

S1

A: Situación en la cual el objeto está demasiado distante

B: Situación en la cual el objeto está demasiado cercano

S2

S2

S2

Imagen 1

Imagen 2

Imagen 3

3


COLUMNA 2Razón por la cual la profundidad de campo cambia con la apertura y distancia focal

Teniendo en cuenta los principios que se explican en la columna 1, la respuesta es fácil. Sin importar qué lente, conforme se reduce la apertura, aumenta la profundidad de campo. Esto se debe a que el mecanismo de apertura puede disminuir el ángulo, manteniendo inalterados los valores S1 y S2. Esto disminuye el tamaño del punto focal y amplía el rango de enfoque.

06 Resolución del lenteSin limitarse al procesamiento de imagen, la resolución del lente se utiliza en todos los dispositivos de medición

óptica y representa el intervalo mínimo en que una observación es posible. Un lente con una resolución de 10 μm

puede observar líneas organizadas en franjas de 10 μm de ancho y 10 μm de separación. Cuando la resolución es

insufi ciente, 2 líneas pueden aparecer como si estuvieran pegadas, haciendo esta resolución inadecuada para una

inspección que requiera precisión. La resolución del lente se expresa a continuación en la fórmula del límite de

Rayleigh*1.

ε = 0.61 × (ecuación de Rayleigh)

λ: Longitud de onda de operación(Para los rayos visibles, se toma λ generalmente como 0.55 μm)

A.N.: La apertura numérica del lente objetivo

A.N. =

β: Aumento óptico F: No. efectivo

Para mejorar la resolución, es importante aumentar la apertura numérica (A.N.) del lente objetivo.

*1 Límite RayleighEstándar de evaluación para lentes, defi nido por el físico inglés, Lord Rayleigh.

*2 Apertura numérica (A.N.)Índice para el cálculo del rendimiento de los lentes, incluyendo la resolución. Al aumentar la apertura numérica se obtienen imágenes más luminosas.

λA.N.*2

β2F

S1 S2

A: Situación en la cual el objeto está demasiado distante

Al reducirse físicamente la apertura, el punto se hace forzosamente más pequeño.Reduciendo la apertura, el

tamaño del punto focal se vuelve más pequeño.

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07 Aumento del lenteEl aumento es la relación entre el tamaño real del objeto inspeccionado y el tamaño visto a través del dispositivo de

medición óptica. Tradicionalmente, el aumento óptico se viene utilizando cuando se observa a través del ocular de

un microscopio, pero actualmente, la idea del aumento se ha extendido al monitor, gracias al aumento de sistemas

que muestran los objetos de observación en una pantalla LCD.

[ Aumento óptico ]En una cámara digital, el aumento óptico se calcula dividiendo las dimensiones de los elementos efectivos de la cámara entre el campo de visión.

[ Aumento de monitor ]El aumento de monitor se calcula dividiendo la longitud diagonal del monitor entre la longitud diagonal de los elementos de la cámara, y multiplicando esto luego por el aumento óptico.

08 Número FEste valor (también llamado F-Stop) es un estándar que representa la luminosidad de un lente. Hablando con

precisión, es un valor que divide la distancia focal del lente entre su diámetro (calibre). F: La "F" se deriva de la

palabra 'focal'.

F = F: Número FD: Diámetro del lentef: Longitud focal del lente

En la práctica, un lente no transmite toda la luz; parte de ésta se refl eja sobre el mismo. Además, con el fi n de

reducir la aberración óptica, se utilizan lentes múltiples, que reducen más la cantidad de luz transmitida. Por esto,

los lentes con un nivel alto de transmisión de luz producen imágenes luminosas y se dice que son "luminosos", y

aquellos con un nivel bajo se dice que son "obscuros".

La relación entre la longitud focal del lente y su diámetro, en otras palabras, el número F, es un elemento que infl uye

en gran medida sobre la luminosidad y opacidad de un lente. Un lente con un número F bajo es un lente "luminoso"

y uno con un valor alto es "obscuro". En una cámara compacta común, el costado del lente vendrá marcado con algo

como "F=2.5" o "1:2.5". Esto signifi ca que el número F es 2.5. Para el desempeño del lente de una cámara, si su

número F es aprox. 2.0, se puede decir que es de tipo luminoso.

09 MonturaLa montura es un mecanismo que fi ja el lente, en equipos de procesamiento de imágenes, y que permite intercambiar

el mismo. Se le llama también patrón de lente y en general las monturas de lentes para las cámaras SLR son bien

conocidas. En el procesamiento de imágenes, las monturas más usuales son la C y CS.

10 DistorsiónDistorsión es la situación en que la imagen refl ectada por el lente se deforma. La verdad es que no existe ningún

lente con forma perfecta. Por lo tanto, la luz directa que debería avanzar idealmente a través del lente de forma

inalterada, se distorsiona, sin embargo, a lo largo de las zonas interiores o exteriores del lente. A la primera se le

llama "distorsión de barril" y a la segunda "distorsión en corsé".

fD

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La distorsión será de tipo barril en los lentes de gran angulo

y de tipo corsé en los lentes de zoom. Con el fi n de corregir

la distorsión, se utilizan lentes asféricos.

¿Qué nos hace diferentes?En los lentes KEYENCE de procesamiento de imágenes, a fi n de reducir la distorsión, descrita en este documento, lo más posible: la Serie CA-LH utiliza una estructura fl otante, y la Serie CA-LHR utiliza una estructura fl otante y un lente asférico* para corregir la distorsión. * Para obtener información sobre los lentes

asféricos, consulte “PROCESAMIENTO DE IMÁGENES: CONSEJOS ÚTILES Vol. 1”.

11 Aberración cromática

Principios de aberración cromáticaLa aberración cromática signifi ca que el índice de refracción difi ere dependiendo de la longitud de onda del haz visible,

causando que la imagen generada, después de haber sido transmitida a través del lente, esté desalineada. Un índice

de refracción diferente signifi ca que la longitud focal será diferente. Así pues, los colores de cada longitud de onda,

formarán individualmente cada uno una imagen, lo que se refl ejará en una imagen borrosa.

El mecanismo de aberración cromática (aberración cromática axial)

Tipos de aberración cromáticaExisten dos tipos de aberración cromática: axial y transversal.

Aberración cromática axial: Un estado en el que el índice de refracción varía según la longitud de onda de la luz, lo que a su vez cambia cada punto focal, dando como resultado

una imagen completamente borrosa.

Aberración cromática transversal:Un estado en el que el aumento de la imagen varía según el color, haciendo que los colores sangren conforme se acerca uno a los bordes del lente.

Cómo evitar la aberración cromáticaUn método utilizado para resolver el problema de la aberración

cromática, consiste en utilizar un lente con un índice de refracción

diferente, llamado lente acromático. Otros métodos incluyen el

uso de materiales para lentes con baja dispersión, como la fl uorita

(cristal de fl uoruro de calcio) o vidrio ED (de extra baja distorsión).

Distorsión en corsé Distorsión de barril

Vidrio óptico normal Vidrio de baja dispersión

Gran aberración cromática

Baja aberración cromática

Corrección de la aberración cromática con un lente acromático

Azul Verde Rojo

Imagen borrosa

Imagen no borrosa

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