Optik lens fiziksel parametreleri

Genel endüstriyel lensin büyütme faktörü yoktur, çünkü genel endüstriyel lens farklı çalışma mesafelerinde kullanıldığında farklı bir büyütmeye sahiptir. Şu anda, lensin odak uzunluğunu (f) ve lensin çalışma mesafesini (WD) hesaplamamız gerekir. .

1.1 büyütme (x)

Optiklerin büyütme X, görüntü boyutunun (H ') nesne boyutuna (h) oranını tanımlamak için kullanılır:

X = h '/h

Genellikle endüstriyel kameralı bir kamera ile görüntüleme yaparken, görüntü boyutu kamera çipinin fiziksel boyutudur (H*V)

h = çip * piksellerin yan uzunluğu üzerindeki yatay hücre sayısı

V = çipin * yan uzunluğunda dikey hücre sayısı

Nesne Boyutu (H*V), kamera görüntüleme ile tüm lensin görüş alanıdır (FOV)

H = h/x

V = V/X

WD, büyütme (x) ve odak uzunluğu (F) çalışma mesafesi arasında yararlı bir ilişki aşağıdaki gibidir: WD = F (X-1)/X

1.2 odak uzunluğu (f)

Odak uzunluğu olarak da bilinen odak uzunluğu, optik bir sistemdeki ışığın konsantrasyonunun veya sapmasının bir ölçüsüdür ve lens merkezinden ışık toplamanın odak noktasına olan mesafeyi ifade eder. Ayrıca, lensin optik merkezinden görüntüleme düzlemine kameradaki CCD veya CMOS gibi mesafedir. Kısa odak uzunluğuna sahip bir optik sistem, uzun odak uzunluğu optik sistemden daha iyi bir ışık toplama yeteneğine sahiptir.

Genel endüstriyel lens, lensin en önemli göstergesi olan sabit bir odak uzunluğu parametresine sahiptir.

Endüstride yaygın olarak kullanılan odak uzunluklarının türleri şunlardır: 4mm6mm8mm12mm16mm25mm35mm5mm75mm100mm, vb. Farklı kullanım mesafelerine göre ve farklı kameraların ve farklı görüş alanlarının (FOV) ihtiyaçları ile, olması gereken odak uzunluğunu hesaplayabiliriz. kullanılmış. Hesaplama yöntemi yukarıdaki gibidir.

Farklı odak uzunlukları, farklı nesne mesafeleri ve aynı kamera aynı görüş alanı görünebilir. Bu durumda nasıl seçilir?

Genel olarak, görüntüleme yönteminin küçük nesne durumunda küçük odak uzunluğuyla kullanılması önerilmez. Bu yöntem resmin nispeten büyük bir fiziksel bozulmaya sahip olmasına neden olacaktır.

1.3 Alan derinliği (DOF)

Alan derinliği (DOF), odaklanmasına izin verildiğinde nesnenin en yakın konumu ile en uzak konumu arasındaki aralıktır.

Alan derinliğinin kaba bir tahmini aşağıdaki formülle verilmiştir:

DOF [MM] = WF/#? P [μm]? K/m^2

Burada p, sensörün piksel boyutudur, m lens büyütmesidir ve K, spesifik uygulamaya bağlı olarak boyutsuz bir parametredir.

Yukarıdaki formülden görülebileceği gibi, lensin alanının derinliği diyafram ile yakından ilişkilidir ve lensin alanının derinliği f#ile doğru orantılıdır. Lens nispeten düşük miktarda ışığa sahip olduğunda, nispeten büyük bir alan derinliğine sahip olacağı görülebilir. ,tersine.

1.4 Çözüm

Çözünürlük, lens görüntülemenin keskinliğini ölçmek için önemli bir parametredir.

Genel olarak, çözünürlük frekansla belirlenir ve frekans milimetre başına (Lp/mm) logaritma ile ölçülür, ancak lensin çözünürlüğü mutlak bir değer değildir. Alternatif siyah beyaz kareler arasındaki ilişkiye genellikle bir çizgi çifti denir. Belirli bir çözünürlükte iki kareyi ayrı varlık olarak sergileme yeteneği gri seviyeye bağlıdır. Kareler ve boşluk arasındaki gri mesafe ne kadar büyük olursa (aşağıda gösterildiği gibi), kareleri ayrıştırma yeteneği o kadar güçlü olur. Bu gri ayırma kontrast denir (belirtilen frekansta). Verilen uzamsal frekans LP/mm'dir. Bu nedenle, lensleri karşılaştırırken ve belirli bir sensör ve uygulama için en iyi seçimi belirlerken LP/mm cinsinden çözünürlüğü hesaplamak yararlıdır.

Sensör, sistemin çözünürlüğünü hesaplamak için başlangıç noktasıdır. Sensörden başlayarak, sensörün veya başka bir uygulamanın ihtiyaçlarını karşılamak için gereken lens performansını belirlemek daha kolaydır. Sensörün çözebileceği en yüksek frekans, Nyquist frekansı aslında iki piksel veya bir çift çizgidir.

Aşağıdaki tablo, bazı yaygın sensörlerde görülen piksellerin boyutu ile ilişkili Nyquist sınırlarını göstermektedir. Sensörün (görüntü uzamsal çözünürlüğü) çözünürlüğü, piksel boyutunun (μm) 2 (çift oluşturma) ile çarpılmasıyla ve ürünü MM'yi dönüştürmek için 1000'e bölünerek hesaplanabilir:

Sensör Çözünürlüğü (LP/MM) = Görüntü Alan Çözünürlüğü (LP/MM) = 1000/2 × piksel boyutu (μm)

Daha büyük pikseller daha düşük sınır çözünürlüğüne sahiptir. Daha küçük piksel sensörü daha yüksek bir sınır çözünürlüğüne sahiptir. Sensör boyutu, kamera sensörünün etkili alanının boyutunu ifade eder ve genellikle sensör formatı boyutuna göre belirtilir. Bununla birlikte, tam sensör oranı en boy oranına bağlı olarak değişecektir ve nominal sensör formatı sadece bir kılavuz olarak, özellikle telekentrik lensler ve yüksek büyütme hedefleri için kullanılmalıdır. Sensör boyutu doğrudan piksel boyutundan ve sensördeki aktif piksel sayısından hesaplanabilir.

Yatay sensör boyutu (mm) = [(yatay piksel boyutu, μm) × (aktif yatay piksel sayısı)]/1000 μm/mm

Dikey sensör boyutu (mm) = [(dikey piksel boyutu, μm) × (aktif dikey piksel sayısı)]/1000 μm/mm

Genel olarak, lens görüntülemenin bir nesnesi ve bir görüntüsü vardır ve lensin çözünürlüğü de nesne çözünürlüğüne ve görüntü çözünürlüğüne ayrılır. Genel olarak, lens ve kamera eşleşmesi görüntü çözünürlüğüne ve piksel boyutuna dayanır. Değerlendirmenin doğruluğu nesnenin çözünürlüğüne dayanmaktadır. Bu iki karar arasındaki ilişki nedir?

Nesne Mekansal Çözünürlük (LP/MM) = Görüntü Mekansal Çözünürlük (LP/MM) × X

Genel olarak, bir uygulama geliştirirken, sistemin çözünürlük gereksinimleri LP/mm değil, μm veya inç olarak verilir. Dönüştürmenin iki yolu vardır:

Nesne Mekansal Çözünürlük (μm) = 1000 (μm/mm)/[2 × nesne mekansal çözünürlük (LP/mm)]

Veya nesne mekansal çözünürlük (μm) = piksel boyutu (μm) / sistem büyütme

1.5 Kontrast (keskinlik)

Kontrast, belirli bir nesne çözünürlüğünde siyah beyaz arasındaki ayrımcılık derecesini tanımlar. Görüntünün keskin görünmesi için siyah detayların siyah beyaz olarak görüntülenmesi gerekir. Siyah beyaz bilgiler orta griye ne kadar çok eğilimli olursa, bu frekansta kontrast o kadar düşük olur. Işık ve koyu çizgiler arasındaki yoğunluk farkı ne kadar büyük olursa, kontrast o kadar yüksek olur.

Rakamdan, siyahtan beyaza geçişin yüksek bir kontrast olduğu ve ortadaki grinin düşük bir kontrast olduğunu gösterdiği görülebilir.

Belirli bir frekanstaki kontrast aşağıdaki formüle göre hesaplanabilir. Bunlar arasında IMAX, maksimum yoğunluktur (kamera kullanılırsa genellikle piksel gri değeri kullanılır), imin minimum yoğunluktur:

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

Bir lensin kontrastı (keskinliği), görsel konturlar tespit edildiğinde sınır özelliklerinin ayırt edici doğruluğunu doğrudan belirler. Genel olarak, görsel kontur algılaması nesneyi yakalamak için arka ışık aydınlatmasını kullanır. Kontrast seviyesi, sonuçta çıktı sonucunun doğruluğunu belirleyen görüntü algoritması ile kenar ekstraksiyonunun doğruluğunu doğrudan belirler.

1.6 Diyafram (F#) / Sayısal Diyafram (NA)

Lens üzerindeki f/# ayarı bir dizi lens parametresini kontrol eder: toplam aydınlık akısı, alan derinliği ve belirli bir çözünürlükte kontrast üretme yeteneği. Temel olarak, f/#, lensin etkili odak uzunluğu (EFL) ile etkili diyafram çapı (DEP) arasındaki orandır:

F/#= EFL/ DEP

Tipik f/# değerleri 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 vb. F/#'daki her artış için, olay ışığı iki kat azaltılır. Aşağıda gösterildiği gibi.

Çoğu lens, Iris ayar halkasını çevirerek f/# ayarlanır, bu da iç iris diyaframını açar ve kapatır. Ayarlama dairesi üzerinde işaretlenen sayı, aydınlık akıyı ve ilişkili açıklık çapını gösterir. Bu sayılar genellikle 21/2 katlarında artar. F/# 'nin 21/2 bitlik bir katsayısının arttırılması, diyafram alanını yarıya indirerek lensin aydınlık akısını etkili bir şekilde iki faktör azaltacaktır. Daha düşük f/# lensler daha hızlı kabul edilir ve sistemden daha fazla ışığın geçmesine izin verirken, daha yüksek f/# lensler daha yavaş kabul edilir ve daha düşük aydınlık akışa sahiptir.

Aşağıdaki tablo, 25 mm odak uzunluğu lens için f/#, açıklık çapı ve etkili açılış boyutu örneklerini göstermektedir. Ayar f/1'den f/2'ye ve daha sonra f/4'ten f/8'e değiştirildiğinde, her aralık için lens diyaframı yarıya indirilir. Bu, lens f/#artışı ile ilişkili akıdaki azalmayı tanımlar.

Diyafram, lensin görüntüleme yüzeyinin parlaklığı üzerinde doğrudan bir etkiye sahiptir, ancak görüntü kontrast, çözünürlüğü ve alanın derinliği ile yakından ilişkilidir. Lens diyaframını ayarladığımızda, tüm görüntü üzerindeki etkisini dikkate almalıyız. Özellikle, f/# doğrudan teorik çözünürlük ve kontrast sınırları ile alan derinliği (DOF) ve lens odak derinliği ile ilişkilidir. Ayrıca, lens tasarımının sapmalarını da etkiler. Piksel boyutu azalmaya devam ettikçe, f/#, alan ve çözünürlük derinliği ile ters orantılı olduğu için sistem performansını sınırlayan en önemli faktör haline gelecektir. Hesaplama çalışması f/#denklemlerinde, X objektif lensin paraksiyal büyütmesini (görüntünün nesnenin yüksekliğine oranı) temsil eder. X'in 0 ne kadar yakın olduğunu unutmayın (nesne sonsuza ne kadar yaklaşırsa), çalışma mesafesi f/# sonsuz f/# için o kadar yakındır. Küçük bir çalışma mesafesi durumunda, çalışma mesafesi değiştikçe f/# değiştiğini unutmayın.

[F/# = EFL/DEP "denklemindeki f/#, büyütmenin aslında 0 olduğu sonsuz bir çalışma mesafesinde tanımlanır. Bu anlamda, f/# tanımı sınırlıdır. Çoğu makine görme uygulamasında, Nesnenin ve lensin uzunluğu kablosuz mesafeden çok daha kısadır ve f/#, aşağıdaki denklemde çalışma f/# olarak daha doğru bir şekilde ifade edilir.

(F/#) w = (1+ | m |) × f/#

F#gibi sayısal diyafram (NA), lens diyaframını tanımlamanın bir yoludur. Objektif koni açısı veya sayısal diyafram (NA) perspektifinden toplam parlak akı hakkında konuşmak genellikle daha kolaydır. Objektifin sayısal diyaframı, görüntü alanındaki marjinal ışın açısının sinüsü olarak tanımlanır. (Aşağıda gösterildiği gibi)

F/# ve sayısal diyafram arasındaki ilişki NA:

Na = 1/[2 × (f/#)]

Aşağıdaki tablo, lensin tipik f/# yerleşimini (sonraki her rakam 21/2 faktörü ile arttırılır) ve bunun sayısal diyafram ile ilişkisini göstermektedir.

Sayısal açıklıklar genellikle f/#değil, mikroskoplarda not edilir, ancak bu noktada ışık toplama daha kolay olduğu için mikroskop hedeflerine atanan sayısal açıklıklar belirtilir. Başka bir durumda, sonsuz konjugasyon zıt makine görme hedefi olarak düşünülebilir (sonsuzluğa odaklanır).

BTSOS'un bir sonraki sayısı, optik lens sapma parametrelerinin ilgili tanıtımını paylaşmaya devam edecektir. İlgili sorular var ve WeChat'te mesaj bırakmanızı memnuniyetle karşılıyoruz!