Как защитное окно может изменить качество изображения камеры

Введение: линза — не всегда последняя оптическая поверхность

Для камеры может потребоваться переднее окно, чтобы защитить ее от пыли, влаги, чистящих химикатов или случайного контакта. Эта защитная поверхность может оказаться незаменимой при наружном наблюдении, промышленном контроле, системах транспортных средств и оборудовании, работающем в суровых условиях.

Но поставив кусок стекла передлинзаменяет оптическую систему. Даже плоское прозрачное окно может создавать отражения, уменьшать пропускание, создавать призрачные изображения или влиять на фокус, если это не учтено в дизайне. В результате может получиться камера, которая проходит базовую визуальную проверку, но теряет контрастность при плохом освещении.

Решение не в том, чтобы избегать защитных окон. Цель состоит в том, чтобы определить и утвердить их как часть полной системы визуализации.

1. Что такое защитное окно камеры?

Защитное окно — это прозрачный компонент, расположенный перед объективом или модулем камеры. В зависимости от применения это может быть стекло, полимер или более специализированный материал. Он может быть плоским или фасонным, с покрытием или без покрытия и встроен в герметичный корпус.

Окно выполняет механическую и оптическую роль. Механически это помогает защитить внутренние компоненты от окружающей среды. Оптически он становится еще одной поверхностью, через которую должен пройти свет, прежде чем достичь объектива и сенсора.

Это различие имеет значение, поскольку «ясно для глаз» не обязательно означает «оптически нейтрально». Показатель преломления окна, толщина, параллельность, качество поверхности, покрытие и расстояние от линзы могут влиять на производительность.

2. Отражения могут уменьшить контраст

Когда свет достигает границы раздела материалов с разными показателями преломления, часть его может отражаться. Окно имеет как минимум две поверхности, поэтому отражения могут возникать как на внешней, так и на внутренней поверхностях. В зависимости от геометрии часть отраженного света может вернуться к объективу или датчику и сформировать призрачные изображения.

Это становится особенно заметно, когда сцена содержит яркие точечные источники, такие как фары, уличные фонари или прямой солнечный свет. Результатом может быть затуманивание бликов, слабое вторичное изображение или снижение контрастности вокруг областей с высокой яркостью.

Антиотражающее (AR) покрытие может уменьшить отражения от поверхности в определенном диапазоне длин волн и под определенным углом падения. Однако характеристики покрытия зависят от фактического оптического диапазона, угла и требований окружающей среды. Покрытие, предназначенное для видимого света, не следует автоматически считать пригодным для использования в ближнем инфракрасном или тепловом инфракрасном диапазоне.

При выборе окна попросите указать требования к передаче или отражению в соответствующем диапазоне длин волн, а не просто указать, что поверхность имеет покрытие.

3. Плоскостность, параллельность и клиновидность.

Защитное окно может казаться плоским, но при этом иметь важные оптические допуски. Плоскостность поверхности показывает, насколько поверхность отклоняется от намеченной формы. Параллелизм описывает угловое соотношение между двумя поверхностями. Небольшой клин может направить передаваемый луч, а поверхностные ошибки могут привести к изменениям волнового фронта.

Значение зависит от разрешения камеры, диафрагмы, поля зрения и рабочего расстояния. Базовая камера наблюдения может допускать другой уровень ошибок, чем прецизионная система контроля.

Если окно толстое, сильно наклонено или расположено близко к чувствительному оптическому пути, возможно, его влияние необходимо учитывать при проектировании оптической системы или калибровке системы. Правильные допуски следует определять на основе требований к изображению, а не копировать из общего чертежа.

4. Толщина и расстояние от линзы.

Добавление плоскопараллельной пластины в сходящийся луч может сместить фокус и изменить длину оптического пути. Практический эффект зависит от конструкции линзы и положения окна относительно линзы. Если окно размещается после того, как объектив уже был оптимизирован, окончательный фокус и качество изображения могут отличаться от исходного дизайна.

Расстояние между окном и линзой также имеет значение. Небольшой зазор может уменьшить пространство, доступное для контроля загрязнений или механической сборки. Больший зазор может изменить пути отражения и сделать внутренние поверхности более видимыми для объектива.

При разработке новой камеры наиболее надежным подходом является предоставление оптическому проектировщику материала окна, толщины, допуска на клин или параллельность, покрытия, наклона и монтажного расстояния на ранних этапах проекта. Для существующей камеры сравните производительность с окном и без него, где это возможно, а затем проверьте окончательную сборку.

5. Выбор материала: стекло или полимер?

Выбор материала – это баланс между оптическими, механическими, экологическими и стоимостными требованиями.

Стекло может обеспечивать хорошую долговечность поверхности и стабильность размеров для многих применений, но его тип, толщина, обработка кромок и покрытие по-прежнему должны соответствовать окружающей среде. Полимерные окна могут уменьшить вес или поддерживать сложную форму, но могут иметь различную устойчивость к царапинам, тепловому расширению, химической стойкости и оптическим свойствам.

Не существует универсального лучшего материала. К окну, подвергающемуся воздействию погодных условий, могут предъявляться другие требования, чем к окну, используемому внутри медицинского устройства или промышленного корпуса. Учитывать:

Спектральная передача во всем рабочем диапазоне камеры

Твердость поверхности и устойчивость к истиранию

Химическая совместимость с чистящими средствами

Температурный диапазон и тепловое расширение

Герметизация от влаги и риск образования конденсата

Требования к ударопрочности и метод монтажа

Долгосрочная доступность и стоимость

Это решения на уровне системы, а не просто выбор покупки, основанный на цене за штуку.

6. Грязь, вода, конденсат и обработка поверхности.

Защитное окно работает хорошо только в том случае, если оно остается оптически пригодным для использования. Пыль, отпечатки пальцев, капли воды, масло и конденсат могут рассеивать или перенаправлять свет. При использовании на открытом воздухе капля может действовать как маленькая линза и искажать сцену. Грязное окно также может снизить контрастность задолго до того, как будет казаться, что камера неисправна.

Обработка поверхности может помочь справиться с некоторым загрязнением, но ее следует выбирать с учетом предполагаемой среды и проверять на долговечность. Например, гидрофобная или олеофобная обработка не заменяет соответствующую герметизацию, дренаж, доступ для очистки или контроль конденсации.

Механическая конструкция имеет такое же значение, как и покрытие поверхности. Учитывайте, как стекает вода, утоплено ли окно, как его можно мыть, сможет ли вольер поддерживать необходимый температурный и влажностный режим.

7. Камеры видимого, ближнего инфракрасного и тепловизионного диапазона требуют разных окон.

Термин «прозрачный» является неполным без указания длины волны. Материал, который хорошо пропускает видимый свет, может не передавать энергию ближнего инфракрасного или длинноволнового инфракрасного диапазона, как того требует тепловизионная камера.

Для камер видимого и ближнего инфракрасного диапазона могут подойти обычные оптические очки, если их пропускание и покрытие соответствуют системе. Системы тепловидения часто требуют специальных материалов, передающих инфракрасное излучение, и их оценка должна проводиться в спектральном диапазоне детектора. Обычное стеклянное покрытие может блокировать большую часть длинноволнового инфракрасного излучения, используемого многими тепловизионными камерами.

Не выбирайте окно, основываясь только на внешнем виде. Укажите рабочий диапазон длин волн, углы падения, температурный режим и требуемую передачу. Если камера объединяет несколько спектральных каналов, каждый канал может предъявлять разные требования.

8. Практический контрольный список спецификаций

Прежде чем утвердить защитное окно, подтвердите следующее:

Спектральный диапазон: видимый, ближний инфракрасный, коротковолновый инфракрасный или длинноволновый инфракрасный диапазон.

Передача и отражение: целевые значения для требуемых длин волн и углов.

Материал и толщина: включая экологическую совместимость

Качество поверхности: царапины, вмятины, плоскостность и параллельность в зависимости от обстоятельств.

Покрытие: противоотражающее, защитное, гидрофобное или другие виды обработки с определенными условиями.

Механическая интеграция: наклон, расстояние, уплотнение, удержание и доступная апертура

Воздействие окружающей среды: температура, влага, пыль, химикаты, истирание и удары.

Приемочные испытания: контрастность изображения, блики, фокус и передача при окончательной сборке.

Для требовательных приложений включите фактическое окно в оптическую оценку камеры, а не квалифицируйте объектив и окно независимо и предполагайте, что комбинация будет вести себя одинаково.

Как Boshi Optics может поддерживать оптическую интеграцию

Боши Оптикапредоставляет оптические продукты и индивидуальную оптическую поддержку для приложений визуализации в области безопасности, автомобильной электроники, медицинского оборудования и других областей. Для проектов, включающих защитное окно, необычные ограничения пакета или нестандартный спектральный диапазон, просмотритеоптические продукты по индивидуальному заказуи поделитесь соответствующими системными требованиями.

Полезная исходная информация включает датчик или детектор, рабочую длину волны, поле зрения, расстояние от линзы до окна, толщину и материал окна, рабочую температуру и качество целевого изображения. Ранняя координация может помочь определить, следует ли включать окно в оптический проект, проверку сборки или и то, и другое.

Вывод: относитесь к окну как к части камеры.

Защитное окно — это не просто механический аксессуар, установленный перед готовой камерой. Он является частью оптического пути и может влиять на передачу, отражения, фокус, контрастность и надежность окружающей среды.

Выбирайте материал и покрытие для реальной длины волны и окружающей среды. Определите механические допуски, включите окно в оптическую оценку и протестируйте окончательную сборку в реалистичных условиях освещения.

Когда качество изображения камеры имеет значение, внимания заслуживает каждая оптическая поверхность, включая ту, которая защищает объектив.