Parametri fisici delle lenti ottiche

1.1 ingrandimento (x)

L'ingrandimento x dell'ottica viene utilizzato per descrivere il rapporto tra dimensione dell'immagine (H ') e dimensione dell'oggetto (H):

X = H '/H

Generalmente quando l'imaging con una fotocamera con una fotocamera industriale, la dimensione dell'immagine è la dimensione fisica del chip della fotocamera (H*V)

H = Numero di celle orizzontali sulla lunghezza laterale del chip *

v = numero di celle verticali sulla lunghezza laterale del chip * del pixel

La dimensione dell'oggetto (H*V) è il campo visivo (FOV) dell'intero obiettivo con l'imaging della fotocamera

H = H/X

V = v/x

La lente industriale generale non ha il fattore di ingrandimento perché l'obiettivo industriale generale ha un ingrandimento diverso se utilizzato a diverse distanze di lavoro. Al momento, dobbiamo calcolare la lunghezza focale (F) dell'obiettivo e la distanza di lavoro (WD) della lente. .

Una relazione utile tra distanza di lavoro WD, ingrandimento (x) e lunghezza focale (F) è la seguente: WD = F (X-1)/X

1.2 Lunghezza focale (F)

La lunghezza focale, nota anche come lunghezza focale, è una misura della concentrazione o della divergenza della luce in un sistema ottico e si riferisce alla distanza dal centro delle lenti al punto focale della raccolta della luce. È anche la distanza dal centro ottico della lente al piano di imaging come il CCD o i CMOS nella fotocamera. Un sistema ottico con una breve lunghezza focale ha una migliore capacità di raccogliere luce rispetto a un sistema ottico a lunghezza focale a lungo.

La lente industriale generale ha un parametro di lunghezza focale fissa, che è l'indicatore più importante dell'obiettivo.

I tipi di lunghezze focali comunemente usate nel settore sono: 4mm6mm8mm12mm16mm25mm35mm35mm50mm75mm100mm, ecc. Secondo diverse distanze di uso e con le esigenze di diversi tipi di fotocamere e diversi campi visivi (FOV), possiamo calcolare la lunghezza focale che deve essere usato. Il metodo di calcolo è come sopra.

Diverse lunghezze focali, diverse distanze degli oggetti e la stessa fotocamera possono apparire lo stesso campo visivo. Come scegliere in questo caso?

In generale, non si consiglia di utilizzare il metodo di imaging con una piccola lunghezza focale nello stato di piccolo oggetto. Questo metodo farà sì che l'immagine abbia una distorsione fisica relativamente grande.

1.3 profondità di campo (DOF)

La profondità di campo (DOF) è l'intervallo tra la posizione più vicina e la posizione più lontana dell'oggetto quando è consentito concentrarsi.

Una stima approssimativa della profondità di campo è data dalla seguente formula:

Dof [mm] = wf/#? P [μm]? K/m^2

Laddove P è la dimensione del pixel del sensore, M è l'ingrandimento delle lenti e K è un parametro senza dimensioni a seconda dell'applicazione specifica.

Come si può vedere dalla formula sopra, la profondità del campo della lente è strettamente correlata all'apertura e la profondità di campo della lente è direttamente proporzionale a F#. Si può vedere che quando l'obiettivo ha una quantità relativamente bassa di luce, avrà una profondità di campo relativamente grande. ,viceversa.

1.4 Risoluzione

La risoluzione è un parametro importante per misurare la nitidezza dell'imaging lente.

In generale, la risoluzione è determinata dalla frequenza e la frequenza viene misurata dal logaritmo per millimetro (LP/mm), ma la risoluzione dell'obiettivo non ha un valore assoluto. La relazione tra alternati quadrati in bianco e nero viene spesso definita una coppia di linee. La capacità di mostrare due quadrati come entità separate a una determinata risoluzione dipende dal livello di grigio. Maggiore è la distanza grigia tra i quadrati e lo spazio (come mostrato di seguito), più forte è la capacità di analizzare i quadrati. Questa separazione grigia si chiama contrasto (alla frequenza specificata). La frequenza spaziale data è in LP/mm. Pertanto, è utile calcolare la risoluzione in LP/mm quando si confrontano le lenti e si determinano la scelta migliore per un determinato sensore e applicazione.

Il sensore è il punto di partenza per il calcolo della risoluzione del sistema. A partire dal sensore, è più facile determinare le prestazioni dell'obiettivo necessarie per soddisfare le esigenze del sensore o di altra applicazione. La frequenza più alta che il sensore può risolvere, la frequenza di Nyquist, è in realtà due pixel o una coppia di linee.

La tabella seguente mostra i limiti di Nyquist associati alla dimensione dei pixel osservati su alcuni sensori comuni. La risoluzione del sensore (risoluzione spaziale dell'immagine) può essere calcolata moltiplicando la dimensione del pixel (μm) per 2 (creando la coppia) e dividendo il prodotto per 1000 per convertire MM:

Risoluzione del sensore (LP/mm) = risoluzione dello spazio dell'immagine (LP/mm) = 1000/2 × dimensione dei pixel (μm)

I pixel più grandi hanno una risoluzione limite inferiore. Il sensore pixel più piccolo ha una risoluzione limite più elevata. La dimensione del sensore si riferisce alla dimensione dell'area effettiva del sensore della telecamera ed è generalmente specificata dalla dimensione del formato del sensore. Tuttavia, il rapporto esatto del sensore varierà a seconda delle proporzioni e il formato del sensore nominale dovrebbe essere usato solo come guida, in particolare per lenti telecentriche e obiettivi ad alta magnificazione. La dimensione del sensore può essere calcolata direttamente dalla dimensione dei pixel e dal numero di pixel attivi sul sensore.

Dimensione del sensore orizzontale (mm) = [(dimensione dei pixel orizzontali, μm) × (numero di pixel orizzontali attivi)]/1000 μm/mm

Dimensione del sensore verticale (mm) = [(dimensione dei pixel verticali, μm) × (numero di pixel verticali attivi)]/1000 μm/mm

In generale, l'imaging dell'obiettivo ha un oggetto e un'immagine e la risoluzione dell'obiettivo è anche divisa nella risoluzione dell'oggetto e nella risoluzione dell'immagine. In generale, la corrispondenza dell'obiettivo e della fotocamera si basano sulla risoluzione dell'immagine e sulla dimensione dei pixel. L'accuratezza della valutazione si basa sulla risoluzione dell'oggetto. Qual è la relazione tra queste due risoluzioni?

Risoluzione spaziale dell'oggetto (LP/mm) = Risoluzione spaziale dell'immagine (LP/MM) × X

In generale, durante lo sviluppo di un'applicazione, i requisiti di risoluzione del sistema non sono indicati in LP/mm ma in μm o pollici. Esistono due modi per convertire:

Risoluzione spaziale dell'oggetto (μm) = 1000 (μm/mm)/[2 × Risoluzione spaziale dell'oggetto (LP/MM)]

O risoluzione spaziale dell'oggetto (μm) = dimensione dei pixel (μm) / ingrandimento del sistema

1.5 Contrasto (nitidezza)

Il contrasto descrive il grado di discriminazione tra bianco e nero a una determinata risoluzione degli oggetti. Per rendere l'immagine affilata, i dettagli neri devono essere visualizzati in dettagli in bianco e nero devono essere visualizzati in bianco (come mostrato di seguito). Più le informazioni in bianco e nero tendono al grigio medio, più basso è il contrasto a questa frequenza. Maggiore è la differenza di intensità tra linee di luce e scure, maggiore è il contrasto.

Dalla figura si può vedere che il passaggio dal nero al bianco è un elevato contrasto e il grigio al centro indica un basso contrasto.

Il contrasto a una data frequenza può essere calcolato secondo la seguente formula. Tra questi, IMAX è la massima intensità (di solito viene utilizzato il valore grigio pixel se viene utilizzata la fotocamera), imin è l'intensità minima:

%Contrast = [(IMAX-IMIN)/(IMAX+IMIN)] × 100

Il contrasto (nitidezza) di una lente determina direttamente l'accuratezza distintiva delle caratteristiche del confine quando vengono rilevati contorni visivi. In generale, il rilevamento del contorno visivo utilizza l'illuminazione della retroilluminazione per catturare l'oggetto. Il livello del contrasto determina direttamente l'accuratezza dell'estrazione del bordo da parte dell'algoritmo di immagine, che alla fine determina l'accuratezza del risultato di output.

1.6 Apertura (F#) / Apertura numerica (NA)

L'impostazione F/# sull'obiettivo controlla una serie di parametri dell'obiettivo: flusso luminoso totale, profondità di campo e capacità di produrre contrasto con una determinata risoluzione. Fondamentalmente parlando, F/# è il rapporto tra la lunghezza focale effettiva (EFL) e il diametro di apertura efficace (DEP) della lente:

F/#= efl/ dep

I valori tipici F/# sono 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 e così via. Per ogni aumento di f/#, la luce incidente è ridotta di un fattore due. Come mostrato di seguito.

La maggior parte delle lenti viene impostata f/# ruotando l'anello di regolazione dell'iride, che a sua volta si apre e chiude l'apertura interna dell'iride. Il numero contrassegnato sul cerchio di regolazione indica il flusso luminoso e il diametro dell'apertura associato. Questi numeri aumentano spesso in multipli di 21/2. L'aumento del f/# di un coefficiente di 21/2 bit dimetterà l'area di apertura, riducendo efficacemente il flusso luminoso dell'obiettivo di un fattore due. Le lenti f/# inferiori sono considerate più veloci e consentono a più luce di passare attraverso il sistema, mentre le lenti f/# più elevate sono considerate più lenti e hanno un flusso luminoso inferiore.

La tabella seguente mostra esempi di f/#, diametro di apertura e dimensioni di apertura efficaci per una lente di lunghezza focale da 25 mm. Quando l'impostazione viene modificata da f/1 a f/2 e quindi da f/4 a f/8, l'apertura dell'obiettivo per ciascun intervallo verrà ridotta a metà. Ciò descrive la riduzione del flusso associato all'aumento della lente F/#.

L'apertura ha un cuscinetto diretto sulla luminosità della superficie di imaging della lente, ma è strettamente correlata al contrasto, alla risoluzione e alla profondità di campo dell'immagine. Quando regoliamo l'apertura dell'obiettivo, dobbiamo considerare il suo impatto sull'intera immagine. In particolare, F/# è direttamente correlato ai limiti di risoluzione teorica e contrasto, nonché alla profondità di campo (DOF) e alla profondità di messa a fuoco dell'obiettivo. Inoltre, influenza anche le aberrazioni del design delle lenti. Man mano che la dimensione dei pixel continua a diminuire, F/# diventerà il fattore più importante che limita le prestazioni del sistema perché è inversamente proporzionale alla profondità di campo e alla risoluzione. Nelle equazioni per il lavoro di calcolo f/#, x rappresenta l'ingrandimento parassiale dell'obiettivo (il rapporto tra l'immagine e l'altezza dell'oggetto). Si noti che più X è più vicino a 0 (più vicino l'oggetto è all'infinito), più vicino la distanza di lavoro f/# è all'infinita f/#. Nel caso di una piccola distanza di lavoro, è importante tenere presente che F/# cambia quando la distanza di lavoro cambia.

Il f/# nell'equazione [f/# = efl/dep "è definito a una distanza di lavoro infinita, in cui l'ingrandimento è effettivamente 0. In questo senso, la definizione di f/# è limitata. Nella maggior parte delle applicazioni di visione artificiale, La lunghezza dell'oggetto e l'obiettivo è molto più corta della distanza wireless e F/# è espressa in modo più accurato come F/# funzionante nella seguente equazione.

(F/#) w = (1+ | m |) × f/#

L'apertura numerica (NA), come F#, è un modo per descrivere l'apertura dell'obiettivo. È spesso più facile parlare del flusso luminoso totale dalla prospettiva dell'angolo del cono dell'obiettivo o dell'apertura numerica (NA). L'apertura numerica della lente è definita come il seno dell'angolo di raggi marginali nello spazio delle immagini. (Come mostrato di seguito)

Relazione tra f/# e apertura numerica NA:

Na = 1/[2 × (f/#)]

La tabella seguente mostra il tipico layout F/# della lente (ogni cifra successiva è incrementata da un fattore di 21/2) e la sua relazione con l'apertura numerica.

Le aperture numeriche sono spesso annotate nei microscopi, non F/#, ma le aperture numeriche assegnate agli obiettivi del microscopio sono specificate nello spazio degli oggetti perché la raccolta della luce è più semplice a questo punto. In un altro caso, la coniugazione infinita può essere considerata l'obiettivo di visione macchina opposta (concentrandosi sull'infinito).

Il prossimo numero di BTSOS continuerà a condividere l'introduzione pertinente dei parametri di aberrazione delle lenti ottiche. Ci sono domande correlate e ti diamo il benvenuto a lasciare messaggi su WeChat!