Parâmetros físicos da lente óptica

1.1 ampliação (x)

A ampliação X da óptica é usada para descrever a proporção do tamanho da imagem (h ') e o tamanho do objeto (h):

X = h '/h

Geralmente quando a imagem com uma câmera com uma câmera industrial, o tamanho da imagem é o tamanho físico do chip da câmera (H*V)

H = número de células horizontais no comprimento lateral do chip * dos pixels

v = número de células verticais no comprimento lateral do chip * do pixel

O tamanho do objeto (H*V) é o campo de visão (FOV) de toda a lente com a imagem da câmera

H = h/x

V = v/x

A lente industrial geral não possui o fator de ampliação porque a lente industrial geral tem uma ampliação diferente quando usada em diferentes distâncias de trabalho. Neste momento, precisamos calcular a distância focal (f) da lente e a distância de trabalho (WD) da lente. .

Uma relação útil entre a distância de trabalho WD, a ampliação (x) e a distância focal (f) é a seguinte: wd = f (x-1)/x

1.2 distância focal (f)

A distância focal, também conhecida como distância focal, é uma medida da concentração ou divergência de luz em um sistema óptico, e refere -se à distância do centro da lente ao ponto focal da coleta de luz. É também a distância do centro óptico da lente até o plano de imagem, como o CCD ou o CMOS na câmera. Um sistema óptico com uma distância focal curta tem uma melhor capacidade de coletar luz do que um sistema óptico de longa distância focal.

A lente industrial geral possui um parâmetro de distância focal fixa, que é o indicador mais importante da lente.

Os tipos de comprimentos focais comumente usados ​​na indústria são: 4mm6mm8m12mm16mm25mm35mm50mm75mm100mm, etc. De acordo com diferentes distâncias de uso e com as necessidades de diferentes tipos de câmeras e diferentes campo de visão (FOV), podemos calcular a distância focal que precisa ser usado. O método de cálculo é o acima.

Diferentes comprimentos focais, diferentes distâncias de objetos e a mesma câmera podem parecer o mesmo campo de visão. Como escolher neste caso?

Geralmente, não é recomendável usar o método de imagem com pequena distância focal no estado de pequeno objeto. Este método fará com que a imagem tenha uma distorção física relativamente grande.

1.3 Profundidade de campo (DOF)

A profundidade de campo (DOF) é o intervalo entre a posição mais próxima e a posição mais distante do objeto quando é permitido se concentrar.

Uma estimativa aproximada da profundidade de campo é dada pela seguinte fórmula:

Dof [mm] = wf/#? P [μm]? K/m^2

Onde P é o tamanho do pixel do sensor, M é a ampliação da lente e K é um parâmetro sem dimensão, dependendo do aplicativo específico.

Como pode ser visto na fórmula acima, a profundidade do campo da lente está intimamente relacionada à abertura, e a profundidade do campo da lente é diretamente proporcional a f#. Pode -se observar que, quando a lente tiver uma quantidade relativamente baixa de luz, ela terá uma profundidade de campo relativamente grande. ,vice-versa.

1.4 Resolução

A resolução é um parâmetro importante para medir a nitidez da imagem da lente.

Em geral, a resolução é determinada pela frequência e a frequência é medida pelo logaritmo por milímetro (LP/mm), mas a resolução da lente não é um valor absoluto. A relação entre quadrados alternados em preto e branco é frequentemente referido como um par de linhas. A capacidade de exibir dois quadrados como entidades separadas em uma determinada resolução depende do nível cinza. Quanto maior a distância cinza entre os quadrados e o espaço (como mostrado abaixo), mais forte a capacidade de analisar quadrados. Essa separação cinza é chamada de contraste (na frequência especificada). A frequência espacial dada está em LP/mm. Portanto, é útil calcular a resolução em LP/mm ao comparar lentes e determinar a melhor opção para um determinado sensor e aplicação.

O sensor é o ponto de partida para calcular a resolução do sistema. A partir do sensor, é mais fácil determinar o desempenho da lente necessário para atender às necessidades do sensor ou de outro aplicativo. A frequência mais alta que o sensor pode resolver, a frequência nyquist, é na verdade dois pixels ou um par de linhas.

A tabela a seguir mostra os limites nyquistas associados ao tamanho dos pixels vistos em alguns sensores comuns. A resolução do sensor (resolução espacial da imagem) pode ser calculada multiplicando o tamanho do pixel (μM) por 2 (criando o par) e dividindo o produto por 1000 para converter mm:

Resolução do sensor (LP/mm) = Resolução do espaço da imagem (LP/mm) = 1000/2 × tamanho de pixel (μm)

Os pixels maiores têm resolução limite inferior. O sensor de pixel menor tem uma resolução limite mais alta. O tamanho do sensor refere -se ao tamanho da área efetiva do sensor da câmera e geralmente é especificado pelo tamanho do formato do sensor. No entanto, a proporção exata do sensor varia de acordo com a proporção, e o formato do sensor nominal deve ser usado apenas como um guia, especialmente para lentes telecentricas e objetivos de alta amplificação. O tamanho do sensor pode ser calculado diretamente a partir do tamanho do pixel e do número de pixels ativos no sensor.

Tamanho do sensor horizontal (mm) = [(tamanho da pixel horizontal, μm) × (número de pixels horizontais ativos)]/1000 μm/mm

Tamanho do sensor vertical (mm) = [(tamanho vertical de pixels, μm) × (número de pixels verticais ativos)]/1000 μm/mm

Em geral, a imagem da lente possui um objeto e uma imagem, e a resolução da lente também é dividida na resolução do objeto e na resolução da imagem. Geralmente, a lente e a correspondência da câmera são baseadas na resolução da imagem e no tamanho do pixel. A precisão da avaliação é baseada na resolução do objeto. Qual é a relação entre essas duas resoluções?

Resolução espacial do objeto (LP/mm) = Resolução espacial da imagem (LP/mm) × x

Em geral, ao desenvolver um aplicativo, os requisitos de resolução do sistema não são fornecidos em LP/mm, mas em μm ou polegadas. Existem duas maneiras de converter:

Resolução espacial do objeto (μm) = 1000 (μm/mm)/[2 × Resolução espacial do objeto (LP/mm)]

Ou resolução espacial de objeto (μm) = tamanho do pixel (μM) / ampliação do sistema

1.5 Contraste (nitidez)

O contraste descreve o grau de discriminação entre preto e branco em uma determinada resolução de objetos. Para fazer com que a imagem pareça nítida, os detalhes pretos precisam ser exibidos em detalhes em preto e branco, devem ser exibidos em branco (como mostrado abaixo). Quanto mais a informação em preto e branco tende ao cinza médio, menor o contraste nessa frequência. Quanto maior a diferença de intensidade entre linhas claras e escuras, maior o contraste.

Pode ser visto a partir da figura que a transição de preto para branco é um alto contraste e o cinza no meio indica um baixo contraste.

O contraste em uma determinada frequência pode ser calculado de acordo com a seguinte fórmula. Entre eles, o IMAX é a intensidade máxima (geralmente o valor de pixel cinza é usado se a câmera for usada), imin é a intensidade mínima:

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

O contraste (nitidez) de uma lente determina diretamente a precisão distintiva dos recursos de limite quando os contornos visuais são detectados. Geralmente, a detecção de contorno visual usa a iluminação da luz de fundo para capturar o objeto. O nível do contraste determina diretamente a precisão da extração da borda pelo algoritmo de imagem, que determina a precisão do resultado da saída.

1.6 Abertura (F#) / abertura numérica (NA)

A configuração f/# na lente controla vários parâmetros da lente: fluxo luminoso total, profundidade de campo e a capacidade de produzir contraste em uma determinada resolução. Fundamentalmente falando, f/# é a proporção entre a distância focal efetiva (EFL) e o diâmetro eficaz da abertura (DEP) da lente:

F/#= efl/ dep

Os valores f/# típicos são 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 assim por diante. Para cada aumento de f/#, a luz incidente é reduzida por um fator de dois. Como mostrado abaixo.

A maioria das lentes é definida f/# girando o anel de ajuste da íris, que por sua vez abre e fecha a abertura da íris interna. O número marcado no círculo de ajuste indica o fluxo luminoso e seu diâmetro de abertura associada. Esses números geralmente aumentam em múltiplos de 21/2. Aumentar o f/# em um coeficiente de 21/2 bits irá reduzir pela metade a área da abertura, reduzindo efetivamente o fluxo luminoso da lente por um fator de dois. As lentes F/# mais baixas são consideradas mais rápidas e permitem que mais luz passe pelo sistema, enquanto as lentes F/# mais altas são consideradas mais lentas e têm menor fluxo luminoso.

A tabela a seguir mostra exemplos de f/#, diâmetro da abertura e tamanho efetivo de abertura para uma lente de distância focal de 25 mm. Quando a configuração é alterada de f/1 para f/2 e depois de f/4 para f/8, a abertura da lente para cada intervalo será reduzida pela metade. Isso descreve a redução no fluxo associada ao aumento da lente f/#.

A abertura tem um rolamento direto no brilho da superfície de imagem da lente, mas está intimamente relacionado ao contraste da imagem, resolução e profundidade de campo. Quando ajustamos a abertura da lente, devemos considerar seu impacto em toda a imagem. Especificamente, F/# está diretamente relacionado à resolução teórica e aos limites de contraste, bem como à profundidade de campo (DOF) e profundidade de foco da lente. Além disso, também afeta as aberrações do design da lente. À medida que o tamanho do pixel continua a diminuir, o F/# se tornará o desempenho do sistema limitador de fatores mais importante, porque é inversamente proporcional à profundidade de campo e resolução. Nas equações para o trabalho de cálculo f/#, x representa a ampliação paraxial da lente objetiva (a razão da imagem e a altura do objeto). Observe que quanto mais próximo x está de 0 (quanto mais próximo o objeto é do infinito), mais próxima a distância de trabalho f/# é do infinito f/#. No caso de uma pequena distância de trabalho, é importante ter em mente que o F/# muda à medida que a distância de trabalho muda.

O f/# na equação [f/# = efl/dep "é definido a uma distância de trabalho infinita, onde a ampliação é realmente 0. Nesse sentido, a definição de f/# é limitada. Na maioria das aplicações de visão de máquina, O comprimento do objeto e da lente é muito mais curto que a distância sem fio e F/# é expressa com mais precisão como o funcionamento f/# na equação a seguir.

(F/#) w = (1+ | m |) × f/#

A abertura numérica (Na), como F#, é uma maneira de descrever a abertura da lente. Muitas vezes, é mais fácil falar sobre o fluxo luminoso total da perspectiva do ângulo do cone da lente ou da abertura numérica (NA). A abertura numérica da lente é definida como o seno do ângulo do raio marginal no espaço da imagem. (Como mostrado abaixo)

Relação entre f/# e abertura numérica na:

Na = 1/[2 × (f/#)]

A tabela a seguir mostra o layout f/# típico da lente (cada dígito subsequente é incrementado por um fator de 21/2) e sua relação com a abertura numérica.

As aberturas numéricas são frequentemente observadas nos microscópios, não em f/#, mas as aberturas numéricas atribuídas aos objetivos do microscópio são especificadas no espaço do objeto porque a coleta de luz é mais fácil neste momento. Em outro caso, a conjugação infinita pode ser pensada como o objetivo oposto da visão da máquina (com foco no infinito).

A próxima edição do BTSOS continuará compartilhando a introdução relevante de parâmetros de aberração de lentes ópticas. Existem perguntas relacionadas e o recebemos para deixar mensagens no WeChat!