Φυσικές παραμέτρους οπτικού φακού

Ο γενικός βιομηχανικός φακός δεν έχει τον παράγοντα μεγέθυνσης επειδή ο γενικός βιομηχανικός φακός έχει διαφορετική μεγέθυνση όταν χρησιμοποιείται σε διαφορετικές αποστάσεις εργασίας. Αυτή τη στιγμή, πρέπει να υπολογίσουμε το εστιακό μήκος (στ) του φακού και της απόστασης εργασίας (WD) του φακού. .

1.1 μεγέθυνση (x)

Η μεγέθυνση x της οπτικής χρησιμοποιείται για να περιγράψει την αναλογία του μεγέθους της εικόνας (H ') στο μέγεθος του αντικειμένου (H):

X = h '/h

Γενικά όταν απεικονίζετε με κάμερα με βιομηχανική κάμερα, το μέγεθος της εικόνας είναι το φυσικό μέγεθος του τσιπ κάμερας (H*V)

H = αριθμός οριζόντιων κυττάρων στο μήκος των εικονοστοιχείων του τσιπ *

v = αριθμός κατακόρυφων κυττάρων στο μήκος του pixel του chip *

Το μέγεθος του αντικειμένου (H*V) είναι το οπτικό πεδίο (FOV) ολόκληρου του φακού με την απεικόνιση της κάμερας

H = h/x

V = v/x

Μια χρήσιμη σχέση μεταξύ της απόστασης εργασίας WD, της μεγέθυνσης (x) και του εστιακού μήκους (f) έχει ως εξής: wd = f (x-1)/x

1.2 εστιακό μήκος (F)

Το εστιακό μήκος, επίσης γνωστό ως εστιακό μήκος, είναι ένα μέτρο της συγκέντρωσης ή της απόκλισης του φωτός σε ένα οπτικό σύστημα και αναφέρεται στην απόσταση από το κέντρο του φακού στο επίκεντρο της συγκέντρωσης φωτός. Είναι επίσης η απόσταση από το οπτικό κέντρο του φακού στο επίπεδο απεικόνισης, όπως οι CCD ή CMOs στην κάμερα. Ένα οπτικό σύστημα με σύντομο εστιακό μήκος έχει καλύτερη ικανότητα να συλλέγει φως από ένα οπτικό σύστημα μεγάλου εστιακού μήκους.

Ο γενικός βιομηχανικός φακός έχει σταθερή παράμετρο εστιακού μήκους, η οποία είναι ο σημαντικότερος δείκτης του φακού.

Οι τύποι εστιακών μήκους που χρησιμοποιούνται συνήθως στη βιομηχανία είναι: 4mm6mm8mm12mm16mm25mm35mm50mm75mm100mm, κλπ. Σύμφωνα με διαφορετικές αποστάσεις χρήσης και με τις ανάγκες διαφορετικών τύπων φωτογραφικών μηχανών και διαφορετικών οπτικών πεδίων (FOV), μπορούμε να υπολογίσουμε το εστιακό μήκος που χρειάζεται να είναι μεταχειρισμένος. Η μέθοδος υπολογισμού είναι όπως παραπάνω.

Διαφορετικά εστιακά μήκη, διαφορετικές αποστάσεις αντικειμένων και η ίδια κάμερα μπορεί να εμφανιστεί το ίδιο οπτικό πεδίο. Πώς να επιλέξετε σε αυτήν την περίπτωση;

Γενικά, δεν συνιστάται η χρήση της μεθόδου απεικόνισης με μικρό εστιακό μήκος στην κατάσταση μικρού αντικειμένου. Αυτή η μέθοδος θα προκαλέσει την εικόνα να έχει μια σχετικά μεγάλη φυσική παραμόρφωση.

1,3 βάθος πεδίου (DOF)

Το βάθος του πεδίου (DOF) είναι το εύρος μεταξύ της πλησιέστερης θέσης και της πιο μακρύτερης θέσης του αντικειμένου όταν επιτρέπεται να επικεντρωθεί.

Μια ακατάλληλη εκτίμηση του βάθους του πεδίου δίνεται από τον ακόλουθο τύπο:

DOF [mm] = WF/#? P [μm]? K/m^2

Όπου το p είναι το μέγεθος του εικονοστοιχείου του αισθητήρα, το m είναι η μεγέθυνση του φακού και το k είναι μια παράμετρο χωρίς διαστάσεις ανάλογα με τη συγκεκριμένη εφαρμογή.

Όπως φαίνεται από τον παραπάνω τύπο, το βάθος του πεδίου του φακού είναι στενά συνδεδεμένο με το διάφραγμα και το βάθος του πεδίου του φακού είναι άμεσα ανάλογο με το F#. Μπορεί να φανεί ότι όταν ο φακός έχει σχετικά χαμηλή ποσότητα φωτός, θα έχει ένα σχετικά μεγάλο βάθος πεδίου. , αντίστροφα.

1.4 Ανάλυση

Η ανάλυση είναι μια σημαντική παράμετρος για τη μέτρηση της ευκρίνειας της απεικόνισης του φακού.

Γενικά, η ανάλυση καθορίζεται από τη συχνότητα και η συχνότητα μετράται από τον λογάριθμο ανά χιλιοστό (LP/mm), αλλά η ανάλυση του φακού δεν είναι απόλυτη τιμή. Η σχέση μεταξύ εναλλασσόμενων μαύρων και λευκών τετραγώνων αναφέρεται συχνά ως ζεύγος γραμμών. Η δυνατότητα εμφάνισης δύο τετραγώνων ως ξεχωριστών οντοτήτων σε μια δεδομένη ανάλυση εξαρτάται από το επίπεδο του γκρι. Όσο μεγαλύτερη είναι η γκρίζα απόσταση μεταξύ των τετραγώνων και του χώρου (όπως φαίνεται παρακάτω), τόσο ισχυρότερη είναι η ικανότητα να αναλύει τετράγωνα. Αυτός ο γκρίζος διαχωρισμός ονομάζεται αντίθεση (στην καθορισμένη συχνότητα). Η δεδομένη χωρική συχνότητα είναι σε LP/mm. Επομένως, είναι χρήσιμο να υπολογιστεί η ανάλυση στο LP/mm κατά τη σύγκριση των φακών και στον προσδιορισμό της καλύτερης επιλογής για έναν δεδομένο αισθητήρα και εφαρμογή.

Ο αισθητήρας είναι το σημείο εκκίνησης για τον υπολογισμό της ανάλυσης του συστήματος. Ξεκινώντας από τον αισθητήρα, είναι ευκολότερο να προσδιοριστεί η απόδοση του φακού που απαιτείται για την κάλυψη των αναγκών του αισθητήρα ή άλλης εφαρμογής. Η υψηλότερη συχνότητα που μπορεί να επιλύσει ο αισθητήρας, η συχνότητα Nyquist, είναι στην πραγματικότητα δύο εικονοστοιχεία ή ένα ζευγάρι γραμμών.

Ο παρακάτω πίνακας δείχνει τα όρια Nyquist που σχετίζονται με το μέγεθος των εικονοστοιχείων που παρατηρούνται σε μερικούς κοινούς αισθητήρες. Η ανάλυση του αισθητήρα (χωρική ανάλυση εικόνας) μπορεί να υπολογιστεί με πολλαπλασιασμό του μεγέθους των εικονοστοιχείων (μm) κατά 2 (δημιουργώντας το ζεύγος) και διαιρώντας το προϊόν κατά 1000 για να μετατρέψει το MM:

Ανάλυση αισθητήρα (LP/mm) = Ανάλυση χώρου εικόνας (LP/mm) = 1000/2 × Μέγεθος εικονοστοιχείων (μm)

Τα μεγαλύτερα εικονοστοιχεία έχουν ανάλυση κατώτερου ορίου. Ο μικρότερος αισθητήρας εικονοστοιχείων έχει ανάλυση υψηλότερου ορίου. Το μέγεθος του αισθητήρα αναφέρεται στο μέγεθος της αποτελεσματικής περιοχής του αισθητήρα της κάμερας και συνήθως καθορίζεται από το μέγεθος της μορφής του αισθητήρα. Ωστόσο, ο ακριβής λόγος αισθητήρα θα ποικίλει ανάλογα με την αναλογία διαστάσεων και η ονομαστική μορφή αισθητήρα θα πρέπει να χρησιμοποιείται μόνο ως οδηγός, ειδικά για τους τηλεπεντρικούς φακούς και τους στόχους υψηλής μαγνητοποίησης. Το μέγεθος του αισθητήρα μπορεί να υπολογιστεί απευθείας από το μέγεθος των εικονοστοιχείων και τον αριθμό των ενεργών εικονοστοιχείων στον αισθητήρα.

(Mm) = [(οριζόντιο μέγεθος εικονοστοιχείων, μm) × (αριθμός ενεργών οριζόντιων εικονοστοιχείων)]/1000 μm/mm

Κατακόρυφη μέγεθος αισθητήρα (mm) = [(κατακόρυφο μέγεθος εικονοστοιχείων, μm) × (αριθμός ενεργών κατακόρυφων εικονοστοιχείων)]/1000 μm/mm

Γενικά, η απεικόνιση του φακού έχει ένα αντικείμενο και μια εικόνα και η ανάλυση του φακού χωρίζεται επίσης στην ανάλυση αντικειμένου και στην ανάλυση εικόνας. Γενικά, ο φακός και η αντιστοίχιση της κάμερας βασίζονται στην ανάλυση εικόνας και στο μέγεθος των εικονοστοιχείων. Η ακρίβεια της αξιολόγησης βασίζεται στην επίλυση του αντικειμένου. Ποια είναι η σχέση μεταξύ αυτών των δύο ψηφισμάτων;

Αντικείμενο χωρική ανάλυση (LP/mm) = χωρική ανάλυση εικόνας (LP/mm) × x

Γενικά, κατά την ανάπτυξη μιας εφαρμογής, οι απαιτήσεις επίλυσης του συστήματος δεν δίνονται σε LP/mm αλλά σε μm ή ίντσες. Υπάρχουν δύο τρόποι μετατροπής:

Ανάλυση χωρικής ανάλυσης αντικειμένου (μm) = 1000 (μm/mm)/[2 × Αντικείμενο χωρική ανάλυση (LP/mm)]

Ή αντικειμενική χωρική ανάλυση (μm) = μέγεθος εικονοστοιχείου (μm) / μεγέθυνση του συστήματος

1,5 αντίθεση (ευκρίνεια)

Η αντίθεση περιγράφει το βαθμό διάκρισης μεταξύ μαύρου και λευκού σε μια δεδομένη ανάλυση αντικειμένου. Για να κάνει την εικόνα να φαίνεται απότομη, οι μαύρες λεπτομέρειες πρέπει να εμφανίζονται σε ασπρόμαυρες λεπτομέρειες πρέπει να εμφανίζονται σε λευκό (όπως φαίνεται παρακάτω). Όσο περισσότερο οι ασπρόμαυρες πληροφορίες τείνουν στο μεσαίο γκρι, τόσο χαμηλότερη είναι η αντίθεση σε αυτή τη συχνότητα. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά στην ένταση μεταξύ φωτός και σκοτεινών γραμμών, τόσο υψηλότερη είναι η αντίθεση.

Μπορεί να φανεί από το σχήμα ότι η μετάβαση από μαύρο σε λευκό είναι μια υψηλή αντίθεση και το γκρι στη μέση δείχνει χαμηλή αντίθεση.

Η αντίθεση σε μια δεδομένη συχνότητα μπορεί να υπολογιστεί σύμφωνα με τον ακόλουθο τύπο. Μεταξύ αυτών, το IMAX είναι η μέγιστη ένταση (συνήθως χρησιμοποιείται η τιμή γκρι pixel εάν χρησιμοποιείται η κάμερα), το imin είναι η ελάχιστη ένταση:

%Αντίθεση = [(imax-imim)/(imax+imin)] × 100

Η αντίθεση (ευκρίνεια) ενός φακού καθορίζει άμεσα τη διακριτική ακρίβεια των οριακών χαρακτηριστικών όταν εντοπίζονται οπτικά περιγράμματα. Γενικά, η ανίχνευση οπτικού περιγράμματος χρησιμοποιεί τον φωτισμό οπίσθιου φωτισμού για να συλλάβει το αντικείμενο. Το επίπεδο της αντίθεσης καθορίζει άμεσα την ακρίβεια της εξόρυξης άκρων από τον αλγόριθμο εικόνας, ο οποίος τελικά καθορίζει την ακρίβεια του αποτελέσματος της εξόδου.

1.6 Ά διάφραγμα (F#) / αριθμητικό διάφραγμα (NA)

Η ρύθμιση F/# στον φακό ελέγχει μια σειρά παραμέτρων φακού: ολική φωτεινή ροή, βάθος πεδίου και ικανότητα παραγωγής αντίθεσης σε δεδομένη ανάλυση. Βασικά μιλώντας, το f/# είναι ο λόγος μεταξύ του αποτελεσματικού εστιακού μήκους (EFL) και της αποτελεσματικής διάμετρος ανοίγματος (DEP) του φακού:

F/#= efl/ dep

Οι τυπικές τιμές f/# είναι f/1.0, f/1.4, f/2.0, f/2.8, f/4.0, f/5.6, f/8.0, f/11.0, f/16.0, f/22.0 κ.ο.κ. Για κάθε αύξηση του F/#, το φως του προσπίπτοντος μειώνεται κατά συντελεστή δύο. Οπως φαίνεται παρακάτω.

Οι περισσότεροι φακοί ρυθμίζονται f/# γυρίζοντας το δακτύλιο ρύθμισης της ίριδας, ο οποίος με τη σειρά του ανοίγει και κλείνει το εσωτερικό άνοιγμα της ίριδας. Ο αριθμός που σημειώνεται στον κύκλο ρύθμισης υποδεικνύει τη φωτεινή ροή και τη σχετική διάμετρο του ανοίγματος. Αυτοί οι αριθμοί συχνά αυξάνονται σε πολλαπλάσια 21/2. Η αύξηση του f/# με συντελεστή 21/2-bit θα μειωθεί κατά το ήμισυ στην περιοχή ανοίγματος, μειώνοντας αποτελεσματικά τη φωτεινή ροή του φακού κατά συντελεστή δύο. Οι χαμηλότεροι φακοί F/# θεωρούνται ταχύτεροι και επιτρέπουν περισσότερο στο φως να διέρχεται από το σύστημα, ενώ οι υψηλότεροι φακοί F/# θεωρούνται βραδύτεροι και έχουν χαμηλότερη φωτεινή ροή.

Ο παρακάτω πίνακας δείχνει παραδείγματα F/#, διάμετρος διαφράγματος και αποτελεσματικό μέγεθος ανοίγματος για φακό εστιακού μήκους 25 mm. Όταν η ρύθμιση αλλάζει από F/1 σε F/2 και στη συνέχεια από F/4 σε F/8, το διάφραγμα του φακού για κάθε διάστημα θα μειωθεί στο μισό. Αυτό περιγράφει τη μείωση της ροής που σχετίζεται με την αύξηση του φακού f/#.

Το άνοιγμα έχει άμεση σχέση με τη φωτεινότητα της επιφάνειας απεικόνισης του φακού, αλλά συνδέεται στενά με την αντίθεση, την ανάλυση και το βάθος του πεδίου. Όταν ρυθμίζουμε το διάφραγμα του φακού, πρέπει να εξετάσουμε τον αντίκτυπό του σε ολόκληρη την εικόνα. Συγκεκριμένα, το F/# σχετίζεται άμεσα με τη θεωρητική ανάλυση και τα όρια αντίθεσης, καθώς και το βάθος του πεδίου (DOF) και το βάθος εστίασης του φακού. Επιπλέον, επηρεάζει επίσης τις ανωμαλίες του σχεδιασμού του φακού. Καθώς το μέγεθος των εικονοστοιχείων συνεχίζει να μειώνεται, το F/# θα γίνει ο σημαντικότερος παράγοντας που περιορίζει την απόδοση του συστήματος, επειδή είναι αντιστρόφως ανάλογη προς το βάθος του πεδίου και της ανάλυσης. Στις εξισώσεις για την εργασία υπολογισμού f/#, το x αντιπροσωπεύει την παρααξιακή μεγέθυνση του αντικειμενικού φακού (η αναλογία της εικόνας προς το ύψος του αντικειμένου). Σημειώστε ότι όσο πιο κοντά το x είναι 0 (όσο πιο κοντά είναι το αντικείμενο στο άπειρο), τόσο πιο κοντά είναι η απόσταση εργασίας f/# είναι στο άπειρο f/#. Στην περίπτωση μιας μικρής απόστασης εργασίας, είναι σημαντικό να έχετε κατά νου ότι το F/# αλλάζει καθώς αλλάζει η απόσταση από την απόσταση.

Το f/# στην εξίσωση [f/# = efl/dep "ορίζεται σε μια άπειρη απόσταση εργασίας, όπου η μεγέθυνση είναι στην πραγματικότητα 0. Με αυτή την έννοια, ο ορισμός του f/# είναι περιορισμένος. Στις περισσότερες εφαρμογές μηχανής όρασης, Το μήκος του αντικειμένου και του φακού είναι πολύ μικρότερο από την ασύρματη απόσταση και το f/# εκφράζεται με μεγαλύτερη ακρίβεια ως το f/# στην ακόλουθη εξίσωση.

(F/#) w = (1+ | m |) × f/#

Το αριθμητικό άνοιγμα (NA), όπως το F#, είναι ένας τρόπος περιγραφής του ανοίγματος του φακού. Είναι συχνά πιο εύκολο να μιλήσουμε για τη συνολική φωτεινή ροή από την οπτική γωνία της γωνίας κώνου του φακού ή του αριθμητικού ανοίγματος (NA). Το αριθμητικό άνοιγμα του φακού ορίζεται ως το ημιτονοειδές της περιθωριακής γωνίας ακτίνων στο χώρο της εικόνας. (Οπως φαίνεται παρακάτω)

Σχέση μεταξύ F/# και αριθμητικού ανοίγματος NA:

Na = 1/[2 × (f/#)]

Ο παρακάτω πίνακας δείχνει την τυπική διάταξη F/# του φακού (κάθε επόμενο ψηφίο αυξάνεται κατά 21/2) και η σχέση του με το αριθμητικό άνοιγμα.

Τα αριθμητικά ανοίγματα συχνά παρατηρούνται σε μικροσκόπια, όχι f/#, αλλά τα αριθμητικά ανοίγματα που εκχωρούνται σε στόχους μικροσκοπίου καθορίζονται στο χώρο του αντικειμένου, επειδή η συλλογή φωτός είναι ευκολότερη σε αυτό το σημείο. Σε μια άλλη περίπτωση, η άπειρη σύζευξη μπορεί να θεωρηθεί ως ο αντίθετος στόχος της μηχανής όρασης (εστιάζοντας στο άπειρο).

Το επόμενο τεύχος της BTSO θα συνεχίσει να μοιράζεται τη σχετική εισαγωγή παραμέτρων εκτροπής οπτικών φακών. Υπάρχουν σχετικές ερωτήσεις και σας καλωσορίζουμε να αφήσετε μηνύματα στο WeChat!