Оптические физические параметры

Общая промышленная линза не имеет коэффициента увеличения, потому что общий промышленный объектив имеет другое увеличение при использовании на разных рабочих расстояниях. В настоящее время нам нужно рассчитать фокусное расстояние (F) линзы и рабочего расстояния (WD) объектива. Полем

1.1 увеличение (x)

Увеличение x оптики используется для описания соотношения размера изображения (H ') к размеру объекта (H):

X = h '/h

Обычно при изображении с камерой с промышленной камерой размер изображения - это физический размер чипа камеры (H*V)

H = количество горизонтальных ячеек на чипе * Длина пикселей *

v = количество вертикальных ячеек на длине пикселя *

Размер объекта (H*V) - это поле зрения (FOV) всего объектива с изображением камеры

H = h/x

V = V/x

Полезная связь между рабочим расстоянием WD, увеличением (x) и фокусным расстоянием (F) заключается в следующем: WD = F (x-1)/x

1.2 Фокусное расстояние (F)

Фокусное расстояние, также известное как фокусное расстояние, является мерой концентрации или дивергенции света в оптической системе, и относится к расстоянию от центра линзы до фокусной точки сбора света. Это также расстояние от оптического центра объектива до плоскости визуализации, такой как CCD или CMO в камере. Оптическая система с коротким фокусным расстоянием имеет лучшую способность собирать свет, чем оптическая система длинного фокусного расстояния.

Общая промышленная линза имеет фиксированный параметр фокусного расстояния, который является наиболее важным показателем объектива.

Типы фокусных расстояний, обычно используемых в отрасли,: 4 мм6 мм8 мм12 мм16 мм25 мм35 мм5075 мм100 мм и т. Д. В соответствии с различными расстояниями использования, и с потребностями различных типов камер и различных полевых полетов (FOV) мы можем рассчитать фокусное расстояние, которые должны быть, которые должны быть использовал. Метод расчета, как и выше.

Различные фокусные расстояния, разные расстояния объекта и одна и та же камера могут появляться одно и то же поле зрения. Как выбрать в этом случае?

Как правило, не рекомендуется использовать метод визуализации с небольшим фокусным расстоянием в состоянии небольшого объекта. Этот метод приведет к тому, что изображение будет иметь относительно большое физическое искажение.

1.3 Глубина поля (DOF)

Глубина поле (DOF) - это диапазон между ближайшим положением и самым дальним положением объекта, когда он может сосредоточиться.

Грубая оценка глубины поля задается следующей формулой:

DOF [MM] = wf/#? P [мкм]? K/m^2

Если p - размер пикселя датчика, M - увеличение линзы, а k - безразмерный параметр в зависимости от конкретного применения.

Как видно из вышеуказанной формулы, глубина поле линзы тесно связана с апертурой, а глубина поля линзы прямо пропорциональна F#. Можно видеть, что, когда линза имеет относительно низкое количество света, он будет иметь относительно большую глубину поля. ,наоборот.

1.4 разрешение

Разрешение является важным параметром для измерения резкости визуализации линз.

В целом, разрешение определяется частотой, а частота измеряется логарифмом на миллиметр (LP/мм), но разрешение линзы не является абсолютным значением. Отношения между чередующимися черными и белыми квадратами часто называют линейной парой. Возможность отображать два квадрата в качестве отдельных сущностей в данном разрешении зависит от уровня серого. Чем больше серое расстояние между квадратами и пространством (как показано ниже), тем сильнее способность проанализировать квадраты. Это серое разделение называется контрастом (на указанной частоте). Данная пространственная частота находится в LP/мм. Следовательно, полезно для расчета разрешения в LP/MM при сравнении линз и определении наилучшего выбора для данного датчика и применения.

Датчик является отправной точкой для расчета разрешения системы. Начиная с датчика, легче определить производительность объектива, необходимую для удовлетворения потребностей датчика или другого приложения. Самая высокая частота, которую может разрешить датчик, частота Nyquist, на самом деле представляет собой два пикселя или пара линий.

В следующей таблице показаны ограничения Nyquist, связанные с размером пикселей, наблюдаемых на некоторых общих датчиках. Разрешение датчика (пространственное разрешение изображения) можно рассчитать путем умножения размера пикселя (мкМ) на 2 (создание пары) и деления продукта на 1000 для преобразования MM:

Разрешение датчика (LP/MM) = Разрешение пространства изображения (LP/MM) = 1000/2 × размер пикселя (мкм)

Большие пиксели имеют нижнее предельное разрешение. Меньший пиксельный датчик имеет более высокое предельное разрешение. Размер датчика относится к размеру эффективной области датчика камеры и обычно определяется размером формата датчика. Тем не менее, точное соотношение датчика будет варьироваться в зависимости от соотношения сторон, а формат номинального датчика должен использоваться только в качестве руководства, особенно для телецентрических линз и целей с высоким содержанием магнификации. Размер датчика можно рассчитать непосредственно из размера пикселей и количества активных пикселей на датчике.

Горизонтальный размер датчика (мм) = [(горизонтальный размер пикселя, мкм) × (количество активных горизонтальных пикселей)]/1000 мкм/мм

Размер вертикального датчика (мм) = [(размер вертикального пикселя, мкм) × (количество активных вертикальных пикселей)]/1000 мкм/мм

В целом, визуализация линз имеет объект и изображение, а разрешение объектива также делится на разрешение объекта и разрешение изображения. Как правило, сопоставление объектива и камеры основано на разрешении изображения и размере пикселей. Точность оценки основана на разрешении объекта. Каковы отношения между этими двумя резолюциями?

Пространственное разрешение объекта (LP/MM) = Изображение пространственное разрешение (LP/MM) × x

В целом, при разработке применения требования к разрешению системы не указаны в LP/MM, а в мкм или дюймах. Есть два способа преобразования:

Пространственное разрешение объекта (мкМ) = 1000 (мкм/мм)/[2 × объект пространственное разрешение (LP/MM)]]

Или объект пространственное разрешение (мкМ) = размер пикселя (мкМ) / увеличение системы

1,5 контраст (резкость)

Контраст описывает степень дискриминации между черным и белым в данном разрешении объекта. Чтобы изображение выглядело резким, черные детали должны отображаться в черно -белых деталях, должны отображаться в белом (как показано ниже). Чем больше черно -белая информация имеет тенденцию к среднему серу, тем ниже контраст на этой частоте. Чем больше разница в интенсивности между светом и темными линиями, тем выше контраст.

Из рисунка видно, что переход от черного к белому является высоким контрастностью, а серый в середине указывает на низкий контраст.

Контраст на заданной частоте может быть рассчитан в соответствии со следующей формулой. Среди них IMAX - это максимальная интенсивность (обычно используется значение пикселя серого, если используется камера), IMIN - минимальная интенсивность:

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

Контраст (резкость) линзы непосредственно определяет различительную точность граничных признаков при обнаружении визуальных контуров. Как правило, обнаружение визуального контура использует освещение подсветки для захвата объекта. Уровень контраста непосредственно определяет точность извлечения края с помощью алгоритма изображения, что в конечном итоге определяет точность результата выходного выхода.

1.6 Aperture (F#) / Числовая апертура (NA)

Настройка F/# на объективе контролирует ряд параметров объектива: общий световой поток, глубина поле и способность создавать контраст при заданном разрешении. По сути, F/# - это отношение между эффективным фокусным расстоянием (EFL) и эффективным диаметром апертуры (DEP) линзы:

F/#= efl/ dep

Типичные значения f/# составляют 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 и т. Д. Для каждого увеличения F/#падающий свет уменьшается в два раза. Как показано ниже.

Большинство линз устанавливаются f/#, повернув кольцо регулировки радужной оболочки, которое, в свою очередь, открывает и закрывает внутреннюю апертуру радужной оболочки. Число, отмеченное на регулировочном круге, указывает на световой поток и связанный с ним диаметр апертуры. Эти цифры часто увеличиваются в мультипликациях 21/2. Увеличение F/# коэффициентом 21/2-битного коэффициента приведет к снижению площади диафрагмы, эффективно уменьшая светящийся поток линзы в два раза. Более низкие линзы F/# считаются быстрее и позволяют большему количеству света проходить через систему, в то время как более высокие линзы F/# считаются медленными и имеют более низкий световой поток.

В следующей таблице приведены примеры F/#, диаметра диафрагмы и эффективный размер отверстия для объектива фокусного расстояния 25 мм. Когда настройка изменяется с f/1 на f/2, а затем с f/4 на f/8, апертура объектива для каждого интервала будет уменьшена вдвое. Это описывает снижение потока, связанное с увеличением линзы F/#.

Апертура имеет прямой подшипник на яркости поверхности визуализации линзы, но она тесно связана с контрастностью изображения, разрешением и глубиной поля. Когда мы корректируем апертуру линзы, мы должны рассмотреть ее влияние на все изображение. В частности, F/# напрямую связан с теоретическим разрешением и ограничениями контрастности, а также с глубиной поле (DOF) и глубиной фокусировки объектива. Кроме того, это также влияет на аберрации дизайна объектива. Поскольку размер пикселя продолжает уменьшаться, F/# станет наиболее важным фактором, ограничивающим производительность системы, поскольку он обратно пропорционален глубине поля и разрешению. В уравнениях для работы расчета F/#x представляет параксиальное увеличение объективной линзы (отношение изображения к высоте объекта). Обратите внимание, что чем ближе x к 0 (чем ближе объект к бесконечности), тем ближе рабочее расстояние f/# к бесконечному F/#. В случае небольшого рабочего расстояния важно иметь в виду, что F/# изменяется по мере изменения рабочего расстояния.

F/# в уравнении [f/# = efl/dep "определяется на бесконечном рабочем расстоянии, где увеличение на самом деле 0. В этом смысле определение f/# ограничено. В большинстве приложений для машинного зрения, Длина объекта и объектива намного короче беспроводного расстояния, а F/# более точно выражена как рабочее f/# в следующем уравнении.

(F/#) w = (1+ | M |) × f/#

Численная апертура (Na), как и F#, - это способ описания диафрагмы линзы. Часто легче говорить об общем световом потоке с точки зрения угла конуса линзы или численной апертуры (NA). Численная апертура линзы определяется как синус краевого угла луча в пространстве изображения. (Как показано ниже)

Взаимосвязь между F/# и числовой апертурой NA:

Na = 1/[2 × (f/#)]

В следующей таблице показана типичная компоновка F/# линзы (каждая последующая цифра увеличивается в 21/2) и его отношение к численной апертуре.

Численные апертуры часто отмечаются в микроскопах, а не в F/#, но числовые апертуры, назначенные целям микроскопа, указаны в пространстве объектов, потому что на данный момент сборы света проще. В другом случае бесконечное сопряжение можно рассматривать как противоположную цель машинного зрения (фокусировка на бесконечности).

Следующий вопрос BTSO будет продолжать делиться соответствующим введением параметров аберрации оптической линзы. Есть связанные вопросы, и мы приветствуем вас оставлять сообщения на WeChat!