Thông số vật lý của ống kính quang

1.1 Độ phóng đại (x)

Độ phóng đại x của quang học được sử dụng để mô tả tỷ lệ của kích thước hình ảnh (h ') so với kích thước đối tượng (h):

X = h '/h

Nói chung khi hình ảnh với máy ảnh có camera công nghiệp, kích thước hình ảnh là kích thước vật lý của chip camera (H*V)

h = số lượng ô ngang trên chip * chiều dài bên của pixel

v = số lượng ô dọc trên chip * chiều dài bên của pixel

Kích thước đối tượng (h*v) là trường nhìn (FOV) của toàn bộ ống kính với hình ảnh camera

H = h/x

V = v/x

Ống kính công nghiệp nói chung không có yếu tố phóng đại vì ống kính công nghiệp nói chung có độ phóng đại khác nhau khi được sử dụng ở các khoảng cách làm việc khác nhau. Tại thời điểm này, chúng ta cần tính toán độ dài tiêu cự (f) của ống kính và khoảng cách làm việc (WD) của ống kính. .

Một mối quan hệ hữu ích giữa khoảng cách làm việc wd, độ phóng đại (x) và độ dài tiêu cự (f) như sau: wd = f (x-1)/x

1,2 độ dài tiêu cự (f)

Độ dài tiêu cự, còn được gọi là tiêu cự, là thước đo nồng độ hoặc sự phân kỳ của ánh sáng trong một hệ thống quang học, và đề cập đến khoảng cách từ trung tâm ống kính đến tiêu điểm thu thập ánh sáng. Nó cũng là khoảng cách từ trung tâm quang học của ống kính đến mặt phẳng hình ảnh như CCD hoặc CMOS trong máy ảnh. Một hệ thống quang học có tiêu cự ngắn có khả năng thu thập ánh sáng tốt hơn so với hệ thống quang học tiêu cự dài.

Ống kính công nghiệp nói chung có tham số tiêu cự cố định, đây là chỉ số quan trọng nhất của ống kính.

Các loại chiều dài tiêu cự thường được sử dụng trong ngành là: 4mm6mm8mm12mm16mm25mm35mm50mm75mm100mm, v.v. đã sử dụng. Phương pháp tính toán là như trên.

Các tiêu cự khác nhau, khoảng cách đối tượng khác nhau và cùng một camera có thể xuất hiện cùng một trường nhìn. Làm thế nào để chọn trong trường hợp này?

Nói chung, không nên sử dụng phương pháp hình ảnh với độ dài tiêu cự nhỏ ở trạng thái đối tượng nhỏ. Phương pháp này sẽ khiến hình ảnh có một biến dạng vật lý tương đối lớn.

1,3 Độ sâu của trường (DOF)

Độ sâu của trường (DOF) là phạm vi giữa vị trí gần nhất và vị trí xa nhất của đối tượng khi nó được phép tập trung.

Ước tính sơ bộ về độ sâu của trường được đưa ra bởi công thức sau:

DOF [mm] = WF/#? P [μm]? K/m^2

Trong đó P là kích thước pixel của cảm biến, M là độ phóng đại của ống kính và K là tham số không thứ nguyên tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể.

Như có thể thấy từ công thức trên, độ sâu của trường của ống kính có liên quan chặt chẽ với khẩu độ và độ sâu của trường của ống kính tỷ lệ thuận với F#. Có thể thấy rằng khi ống kính có lượng ánh sáng tương đối thấp, nó sẽ có độ sâu trường tương đối lớn. ,ngược lại.

1.4 Độ phân giải

Độ phân giải là một tham số quan trọng để đo độ sắc nét của hình ảnh ống kính.

Nói chung, độ phân giải được xác định bởi tần số và tần số được đo bằng logarit trên mỗi milimet (LP/mm), nhưng độ phân giải của ống kính không phải là giá trị tuyệt đối. Mối quan hệ giữa các hình vuông đen và trắng xen kẽ thường được gọi là một cặp dòng. Khả năng hiển thị hai hình vuông dưới dạng các thực thể riêng biệt ở một độ phân giải nhất định phụ thuộc vào mức màu xám. Khoảng cách màu xám giữa các hình vuông và không gian (như hình dưới đây) càng lớn, khả năng phân tích các hình vuông càng mạnh. Sự phân tách màu xám này được gọi là độ tương phản (ở tần số quy định). Tần số không gian đã cho là tính bằng LP/mm. Do đó, rất hữu ích khi tính toán độ phân giải trong LP/mm khi so sánh các ống kính và xác định lựa chọn tốt nhất cho một cảm biến và ứng dụng nhất định.

Cảm biến là điểm khởi đầu để tính toán độ phân giải của hệ thống. Bắt đầu từ cảm biến, việc xác định hiệu suất ống kính cần thiết hơn để đáp ứng nhu cầu của cảm biến hoặc ứng dụng khác. Tần số cao nhất mà cảm biến có thể giải quyết, tần số Nyquist, thực sự là hai pixel hoặc một cặp đường.

Bảng dưới đây cho thấy các giới hạn Nyquist liên quan đến kích thước của các pixel nhìn thấy trên một số cảm biến phổ biến. Độ phân giải của cảm biến (độ phân giải không gian hình ảnh) có thể được tính bằng cách nhân kích thước pixel (μM) với 2 (tạo ra cặp) và chia sản phẩm cho 1000 để chuyển đổi mm:

Độ phân giải cảm biến (LP/mm) = Độ phân giải không gian hình ảnh (LP/mm) = 1000/2 × Kích thước pixel (μM)

Các pixel lớn hơn có độ phân giải giới hạn thấp hơn. Cảm biến pixel nhỏ hơn có độ phân giải giới hạn cao hơn. Kích thước cảm biến đề cập đến kích thước của diện tích hiệu quả của cảm biến camera và thường được chỉ định bởi kích thước định dạng cảm biến. Tuy nhiên, tỷ lệ cảm biến chính xác sẽ thay đổi tùy thuộc vào tỷ lệ khung hình và định dạng cảm biến danh nghĩa chỉ nên được sử dụng làm hướng dẫn, đặc biệt là các ống kính viễn thông và các mục tiêu đo lường cao. Kích thước cảm biến có thể được tính trực tiếp từ kích thước pixel và số lượng pixel hoạt động trên cảm biến.

Kích thước cảm biến ngang (mm) = [(kích thước pixel ngang, μM) × (số pixel ngang hoạt động)]/1000 m/mm

Kích thước cảm biến dọc (mm) = [(kích thước pixel dọc, μM) × (số pixel dọc hoạt động)]/1000 mm/mm

Nói chung, hình ảnh ống kính có một đối tượng và hình ảnh, và độ phân giải của ống kính cũng được chia thành độ phân giải đối tượng và độ phân giải hình ảnh. Nói chung, ống kính và kết hợp camera dựa trên độ phân giải hình ảnh và kích thước pixel. Độ chính xác của đánh giá dựa trên độ phân giải của đối tượng. Mối quan hệ giữa hai nghị quyết này là gì?

Độ phân giải không gian đối tượng (LP/mm) = Độ phân giải không gian hình ảnh (LP/mm) × X

Nói chung, khi phát triển một ứng dụng, các yêu cầu độ phân giải của hệ thống không được đưa ra tính bằng LP/mm mà là μM hoặc inch. Có hai cách để chuyển đổi:

Độ phân giải không gian đối tượng (μM) = 1000 (m/mm)/[2 × độ phân giải không gian đối tượng (LP/mM)]]]

Hoặc độ phân giải không gian đối tượng (μM) = kích thước pixel (μM) / độ phóng đại hệ thống

Độ tương phản 1,5 (độ sắc nét)

Sự tương phản mô tả mức độ phân biệt đối xử giữa đen và trắng ở độ phân giải đối tượng nhất định. Để làm cho hình ảnh trông sắc nét, các chi tiết màu đen cần được hiển thị bằng các chi tiết màu đen và trắng phải được hiển thị bằng màu trắng (như hình bên dưới). Thông tin đen trắng càng có xu hướng màu xám giữa, độ tương phản ở tần số này càng thấp. Sự khác biệt về cường độ giữa các đường sáng và tối, độ tương phản càng cao.

Có thể thấy từ hình rằng sự chuyển đổi từ đen sang trắng là độ tương phản cao và màu xám ở giữa cho thấy độ tương phản thấp.

Độ tương phản ở một tần số nhất định có thể được tính theo công thức sau. Trong số đó, IMAX là cường độ tối đa (thường được sử dụng giá trị màu xám pixel nếu máy ảnh được sử dụng), IMIN là cường độ tối thiểu:

%Tương phản = [(imax-imin)/(imax+imin)] × 100

Độ tương phản (độ sắc nét) của một ống kính trực tiếp xác định độ chính xác phân biệt của các tính năng biên khi phát hiện đường viền thị giác. Nói chung, phát hiện đường viền trực quan sử dụng chiếu sáng đèn nền để chụp đối tượng. Mức độ tương phản trực tiếp xác định độ chính xác của trích xuất cạnh bằng thuật toán hình ảnh, cuối cùng xác định độ chính xác của kết quả đầu ra.

1.6 khẩu độ (f#) / khẩu độ số (NA)

Cài đặt F/# trên ống kính điều khiển một số tham số ống kính: tổng thông lượng phát sáng, độ sâu của trường và khả năng tạo độ tương phản ở một độ phân giải nhất định. Nói một cách cơ bản, F/# là tỷ lệ giữa độ dài tiêu cự hiệu quả (EFL) và đường kính khẩu độ hiệu quả (DEP) của ống kính:

F/#= efl/ dep

Các giá trị F/# điển hình là 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, v.v. Đối với mỗi lần tăng F/#, ánh sáng tới giảm theo hệ số hai. Như hình dưới đây.

Hầu hết các ống kính được đặt f/# bằng cách xoay vòng điều chỉnh mống mắt, từ đó mở ra và đóng khẩu độ IRIS bên trong. Số lượng được đánh dấu trên vòng tròn điều chỉnh cho thấy thông lượng phát sáng và đường kính khẩu độ liên quan của nó. Những con số này thường tăng bội số 21/2. Tăng F/# bằng hệ số 21/2 bit sẽ giảm một nửa diện tích khẩu độ, làm giảm hiệu quả thông lượng phát sáng của ống kính bằng một hệ số hai. Ống kính F/# thấp hơn được coi là nhanh hơn và cho phép nhiều ánh sáng đi qua hệ thống, trong khi các ống kính F/# cao hơn được coi là chậm hơn và có thông lượng phát sáng thấp hơn.

Bảng sau đây cho thấy các ví dụ về f/#, đường kính khẩu độ và kích thước mở hiệu quả cho ống kính tiêu cự 25 mm. Khi cài đặt được thay đổi từ f/1 thành f/2 và sau đó từ f/4 thành f/8, khẩu độ ống kính cho mỗi khoảng sẽ giảm một nửa. Điều này mô tả việc giảm thông lượng liên quan đến sự gia tăng của ống kính F/#.

Khẩu độ có ổ trục trực tiếp trên độ sáng của bề mặt hình ảnh của ống kính, nhưng nó có liên quan chặt chẽ với độ tương phản hình ảnh, độ phân giải và độ sâu của trường. Khi chúng tôi điều chỉnh khẩu độ ống kính, chúng tôi phải xem xét tác động của nó đối với toàn bộ hình ảnh. Cụ thể, F/# có liên quan trực tiếp đến độ phân giải lý thuyết và giới hạn tương phản cũng như độ sâu của trường (DOF) và độ sâu của trọng tâm ống kính. Ngoài ra, nó cũng ảnh hưởng đến quang sai của thiết kế ống kính. Khi kích thước pixel tiếp tục giảm, F/# sẽ trở thành yếu tố quan trọng nhất hạn chế hiệu suất hệ thống vì nó tỷ lệ nghịch với độ sâu của trường và độ phân giải. Trong các phương trình cho công việc tính toán f/#, x biểu thị độ phóng đại của ống kính mục tiêu (tỷ lệ của hình ảnh so với chiều cao của đối tượng). Lưu ý rằng X càng gần với 0 (đối tượng càng gần với vô cùng), khoảng cách làm việc f/# càng gần với f/# vô hạn. Trong trường hợp khoảng cách làm việc nhỏ, điều quan trọng là phải nhớ rằng F/# thay đổi khi khoảng cách làm việc thay đổi.

F/# trong phương trình [f/# = efl/dep "được xác định ở khoảng cách làm việc vô hạn, trong đó độ phóng đại thực sự là 0. Theo nghĩa này, định nghĩa của f/# bị hạn chế. Độ dài của vật thể và ống kính ngắn hơn nhiều so với khoảng cách không dây và F/# được biểu thị chính xác hơn là F/# hoạt động trong phương trình sau.

(F/#) w = (1+ | m |) × f/#

Khẩu độ số (NA), giống như F#, là một cách mô tả khẩu độ ống kính. Nó thường dễ dàng hơn để nói về tổng số phát sáng từ góc độ của góc hình nón hoặc khẩu độ số (NA). Khẩu độ số của ống kính được định nghĩa là hình sin của góc tia cận biên trong không gian hình ảnh. (Như hình dưới đây)

Mối quan hệ giữa F/# và khẩu độ số NA:

Na = 1/[2 × (f/#)]

Bảng sau đây cho thấy bố cục F/# điển hình của ống kính (mỗi chữ số tiếp theo được tăng lên theo hệ số 21/2) và mối quan hệ của nó với khẩu độ số.

Khẩu độ số thường được ghi nhận trong kính hiển vi, không phải F/#, nhưng khẩu độ số được gán cho các mục tiêu của kính hiển vi được chỉ định trong không gian đối tượng vì thu thập ánh sáng dễ dàng hơn vào thời điểm này. Trong một trường hợp khác, liên hợp vô hạn có thể được coi là mục tiêu tầm nhìn máy ngược (tập trung vào vô cực).

Vấn đề tiếp theo của BTSO sẽ tiếp tục chia sẻ việc giới thiệu các thông số quang sai của ống kính quang học có liên quan. Có những câu hỏi liên quan và chúng tôi hoan nghênh bạn để lại tin nhắn trên WeChat!