Cách chọn ống kính nội soi cho ứng dụng của bạn

Một ống kính nội soi có một công việc khó khăn. Nó phải vừa với một thiết bị hẹp đồng thời tạo ra hình ảnh hữu ích ở khoảng cách ngắn, thường là trong không gian có ánh sáng và vị trí bị hạn chế chặt chẽ.

Do đó, việc chọn ống kính nội soi không chỉ đơn giản là vấn đề chọn đường kính nhỏ nhất hiện có hoặc trường nhìn rộng nhất. Ống kính chụp cảnh rộng có thể hiển thị ít chi tiết hơn trên mỗi đối tượng. Một thiết kế được tối ưu hóa cho một khoảng cách làm việc cụ thể có thể không giữ được vật thể gần hơn hoặc xa hơn nhiều trong tiêu điểm chấp nhận được. Giới hạn cơ học cũng có thể hạn chế các cấu hình quang học có sẵn cho người thiết kế.

Cho dù ứng dụng là hình ảnh y tế, kiểm tra công nghiệp hay một hình thức trực quan hóa nội bộ khác, điểm khởi đầu tốt nhất là xác định những gì camera phải phát hiện và trong những điều kiện nào.

1. Xác định nhiệm vụ, mục tiêu kiểm tra

Bắt đầu bằng cách mô tả những gì máy nội soi cần quan sát. Mục tiêu là kiểm tra bề mặt xem có vết trầy xước, kiểm tra khoang, xác định một đặc điểm nhỏ hay cung cấp cái nhìn tổng quát về không gian bên trong không? Mục tiêu và nhiệm vụ xác định đặc điểm hình ảnh nào quan trọng nhất.

Đối với hệ thống kiểm tra lỗi, khả năng phân biệt các chi tiết nhỏ có thể quan trọng hơn việc chụp được khung cảnh rộng nhất có thể. Để điều hướng qua một khoang hoặc đường ống, phạm vi bao phủ rộng hơn có thể hữu ích. Một số ứng dụng cần cả hai, điều này có thể yêu cầu sự thỏa hiệp hoặc kiến ​​trúc camera khác.

Cũng mô tả vật liệu mục tiêu và bề mặt. Các vật thể có độ phản chiếu cao, trong suốt, tối hoặc có kết cấu có thể hoạt động khác nhau dưới cùng một mức độ chiếu sáng. Nếu ống nội soi hoạt động trong chất lỏng hoặc phía sau cửa sổ bảo vệ, hãy đề cập sớm điều đó; đường quang không nhất thiết phải tương đương với thiết lập trên không thông thường.

Các bức ảnh về mục tiêu, bản phác thảo về không gian sẵn có và các ví dụ về hình ảnh được chấp nhận và không được chấp nhận thường hữu ích hơn so với chỉ một thông số kỹ thuật ngắn gọn.

2. Trường nhìn: ống kính có thể nhìn thấy bao nhiêu?

Trường nhìn (FOV) cho biết phạm vi góc của cảnh được ống kính chụp. Trong các ứng dụng nội soi, FOV rộng có thể giúp người dùng nhìn rõ hơn khu vực xung quanh mà không cần di chuyển thiết bị nhiều.

Tuy nhiên, vùng phủ sóng rộng hơn không tự động tốt hơn. Khi độ phân giải của cảm biến vẫn cố định, cảnh lớn hơn có thể để lại ít pixel hơn trên một đối tượng nhỏ. Các thiết kế góc rất rộng cũng có thể gây ra hiện tượng méo hình, điều này có thể chấp nhận được đối với định hướng trực quan nhưng kém phù hợp hơn khi hình học phải được đánh giá chính xác.

Khi chỉ định FOV, hãy làm rõ yêu cầu là ngang, dọc hay chéo. Nêu rõ định dạng hoặc kiểu cảm biến, vì cùng một ống kính có thể tạo ra phạm vi bao phủ khác nhau với các kích thước cảm biến khác nhau. Nếu mục tiêu phải vừa với hình ảnh ở một khoảng cách xác định, hãy cung cấp cả kích thước mục tiêu và khoảng cách làm việc.

Một bản vẽ đơn giản thể hiện đầu thấu kính, mục tiêu và vùng nhìn thấy cần thiết có thể giúp nhà thiết kế quang học xác định xem trường nhìn được đề xuất có phù hợp hay không.

3. Độ sâu trường ảnh và khoảng cách làm việc được kết nối với nhau

Khoảng cách làm việc là khoảng cách từ ống kính hoặc điểm tham chiếu được chỉ định rõ ràng đến mục tiêu. Độ sâu trường ảnh (DOF) mô tả phạm vi khoảng cách của vật thể mà hình ảnh vẫn sắc nét ở mức chấp nhận được trong các điều kiện xác định.

Hai tham số này nên được thảo luận cùng nhau. Một ống kính được tối ưu hóa cho phạm vi khoảng cách hẹp có thể cung cấp chi tiết rõ ràng tại điểm kiểm tra dự kiến ​​nhưng sẽ trở nên kém hữu ích hơn khi mục tiêu di chuyển đến gần hoặc ra xa hơn. Độ sâu trường ảnh lớn hơn có thể cải thiện khả năng chịu đựng sự thay đổi khoảng cách, mặc dù kết quả phụ thuộc vào thiết kế quang học, khẩu độ, độ phân giải cảm biến và tiêu chí được sử dụng để xác định độ sắc nét chấp nhận được.

Đối với máy nội soi, việc cung cấp khoảng cách làm việc danh nghĩa, khoảng cách mục tiêu dự kiến ​​gần nhất và khoảng cách xa nhất vẫn có thể sử dụng được là rất hữu ích. Nếu thiết bị phải kiểm tra cả bề mặt gần đó và khoang rộng hơn, hãy nói như vậy thay vì chỉ cung cấp một khoảng cách ưa thích.

Tránh yêu cầu “DOF lớn” mà không mô tả phạm vi hoạt động thực tế. Phạm vi khoảng cách bằng số hoặc một vài vị trí mục tiêu đại diện giúp đánh giá và kiểm tra yêu cầu dễ dàng hơn.

4. Tại sao phương tiện quang học lại quan trọng

Hệ thống quang học được thiết kế để sử dụng trong không khí có thể hoạt động khác khi được sử dụng trong môi trường khác, chẳng hạn như nước hoặc môi trường chứa đầy chất lỏng. Chiết suất của môi trường xung quanh làm thay đổi cách ánh sáng bị bẻ cong tại các mặt phân cách quang học và có thể ảnh hưởng đến tiêu điểm, trường nhìn rõ ràng và các đặc điểm hình ảnh khác.

Điều này đặc biệt quan trọng khi máy nội soi được thiết kế để kiểm tra dưới nước hoặc ứng dụng khác trong đó bề mặt quang học phía trước tiếp xúc với môi trường khác với không khí. Chỉ thử nghiệm ống kính trong không khí có thể không dự đoán đầy đủ hoạt động cuối cùng của nó trong môi trường dự định.

Khi mô tả ứng dụng, hãy chỉ định xem ống kính sẽ hoạt động trong không khí, nước hay phía sau cửa sổ bảo vệ trong suốt. Bao gồm vật liệu cửa sổ và độ dày nếu biết. Nếu hệ thống được ngâm trong nước, hãy xác định khoảng cách làm việc liên quan và các điều kiện để đánh giá chất lượng hình ảnh.

Thiết lập thử nghiệm phù hợp sẽ phản ánh ứng dụng cuối cùng sát thực tế nhất. Đối với các dự án chuyên biệt, nhóm quang học và khách hàng phải thống nhất về phương tiện tham chiếu, khoảng cách mục tiêu, quy trình lấy nét và tiêu chí chấp nhận chất lượng hình ảnh trước khi phê duyệt mẫu.

5. Đường kính và thiết kế cơ học có thể hạn chế giải pháp quang học

Ống kính nội soi thường hoạt động với những hạn chế về kích thước. Đường kính ngoài có sẵn và tổng chiều dài ảnh hưởng đến số lượng thành phần quang học có thể được cung cấp, cách lắp ráp ống kính cũng như cách ống kính giao tiếp với cảm biến hình ảnh và vỏ xung quanh.

Đường kính nhỏ hơn không phải là một mục tiêu riêng biệt. Nó phải được cân bằng giữa trường nhìn, chất lượng hình ảnh, độ sâu trường ảnh, độ chiếu sáng và tính khả thi trong sản xuất. Một thiết kế khả thi về mặt kỹ thuật vẫn có thể yêu cầu phải đánh đổi về hiệu suất, độ phức tạp của việc lắp ráp hoặc chi phí.

Cung cấp đường kính ngoài tối đa, chiều dài có sẵn, vị trí cảm biến, giao diện lắp đặt và bất kỳ hạn chế nào đối với đầu phía trước. Nếu ống nội soi bao gồm các sợi chiếu sáng hoặc đèn LED, hãy bao gồm vị trí của chúng và không gian dành riêng cho chúng. Các thành phần này có thể ảnh hưởng đến cách bố trí cơ học và ánh sáng chiếu tới mục tiêu.

Một bản vẽ có kích thước là lý tưởng, nhưng một bản phác thảo rõ ràng có thể hỗ trợ cho cuộc thảo luận về tính khả thi ban đầu. Xác định kích thước nào được cố định và kích thước nào có thể được điều chỉnh nếu cần cân bằng quang học.

6. Độ phân giải, độ sáng và độ tương phản của hình ảnh

Ống kính phải cung cấp đủ chi tiết hữu ích cho nhiệm vụ mong muốn nhưng cảm biến và độ chiếu sáng cũng ảnh hưởng đến hình ảnh cuối cùng. Cảm biến có độ phân giải cao không thể bù đắp cho độ tương phản quang học không đủ, tiêu cự kém, chuyển động hoặc ánh sáng không đủ.

Hình ảnh nội soi thường đòi hỏi không gian chiếu sáng hạn chế. Độ sáng có thể khác nhau trên toàn cảnh và các bề mặt phản chiếu có thể tạo ra những điểm sáng làm che khuất các chi tiết. Do đó, ống kính, độ phơi sáng của cảm biến, hình học chiếu sáng và xử lý hình ảnh phải được đánh giá như một hệ thống.

Khi xác định chất lượng hình ảnh, hãy mô tả tính năng phải được giải quyết, khoảng cách mục tiêu và khu vực của hình ảnh nơi hiệu suất quan trọng nhất. Nếu bạn có một yêu cầu có thể đo lường được, chẳng hạn như kích thước tính năng tối thiểu hoặc bài kiểm tra chất lượng hình ảnh đã xác định, hãy chia sẻ yêu cầu đó. Nếu không, hãy cung cấp hình ảnh đại diện và giải thích những gì hệ thống hiện tại không hiển thị.

Tránh chỉ dựa vào nhãn megapixel. Đánh giá thực tế về cảm biến, độ chiếu sáng và mục tiêu mong muốn là điều cần thiết trước khi phê duyệt ống kính để sản xuất.

7. Cần chuẩn bị những gì trước khi liên hệ với nhà sản xuất ống kính

Một cuộc điều tra hiệu quả không yêu cầu một đơn thuốc quang học hoàn chỉnh. Nó đòi hỏi đủ thông tin để đánh giá ứng dụng.

Chuẩn bị những thứ sau nếu có:

 Loại ứng dụng và mục tiêu

Mô hình cảm biến, kích thước hoạt động hoặc biểu dữ liệu

Yêu cầu FOV ngang, dọc hoặc chéo

Phạm vi khoảng cách làm việc danh nghĩa và cho phép

Độ sâu trường ảnh yêu cầu hoặc kích thước tính năng tối thiểu

 Đường kính ống kính tối đa và chiều dài có sẵn

 Môi trường hoạt động, cửa sổ bảo vệ và điều kiện môi trường

 Bố trí chiếu sáng và bước sóng, nếu có liên quan

Số lượng nguyên mẫu, khối lượng sản xuất dự kiến, chi phí mục tiêu và tiến độ

Nếu bạn có mô-đun nội soi hiện có, hình ảnh mẫu hoặc tài liệu tham khảo vật lý có thể làm rõ những gì cần thay đổi. Xác định những điểm mạnh và hạn chế hiện tại: có thể hình ảnh chỉ sắc nét ở một khoảng cách, đầu quá lớn hoặc độ bao phủ khung cảnh không đủ.

Thông tin này giúp xác định liệu ống kính hiện có có thể được điều chỉnh hay không hoặc liệu có nên xem xét thiết kế quang học tùy chỉnh hay không.

Kết luận: bắt đầu với các điều kiện kiểm tra thực tế

Lựa chọn ống kính nội soi là sự cân bằng giữa hiệu suất quang học và các hạn chế vật lý. Trường nhìn, độ sâu trường ảnh, khoảng cách làm việc, môi trường xung quanh, đặc điểm cảm biến, độ chiếu sáng và kích thước cơ học phải được xác định cùng nhau.

Thông số kỹ thuật hữu ích nhất không nhất thiết phải là thông số dài nhất. Nó mô tả nhiệm vụ kiểm tra thực tế đủ rõ ràng để các kỹ sư đánh giá một giải pháp thực tế.

Quang học Boshi, một phần của Shanghai Silk Optical Technology Co., Ltd., phát triển và sản xuất các sản phẩm quang học cho các ứng dụng hình ảnh, bao gồm cả quang học liên quan đến nội soi tùy chỉnh. Đối với dự án mới, hãy chia sẻ thông tin cảm biến, đường bao cơ học, phạm vi khoảng cách làm việc, cảnh mục tiêu và phương tiện hoạt động dự định.

Ghé thăm của chúng tôitrang sản phẩm tùy chỉnh để tìm hiểu thêm về phát triển quang học tùy chỉnh hoặc liên hệ với chúng tôi quatrang web chính thức(https://www.lensmanufacture.com/) để thảo luận về yêu cầu của bạn.