Parámetros físicos de lente óptica

1.1 Aumento (x)

El aumento x de la óptica se usa para describir la relación del tamaño de la imagen (h ') al tamaño del objeto (h):

X = h '/h

Generalmente cuando se obtiene imágenes con una cámara con una cámara industrial, el tamaño de la imagen es el tamaño físico del chip de la cámara (H*V)

H = número de celdas horizontales en el chip * Longitud lateral de los píxeles

V = número de células verticales en el chip * longitud lateral del píxel

El tamaño del objeto (h*v) es el campo de visión (FOV) de toda la lente con la cámara de imágenes

H = H/X

V = V/X

La lente industrial general no tiene el factor de aumento porque la lente industrial general tiene un aumento diferente cuando se usa a diferentes distancias de trabajo. En este momento, necesitamos calcular la distancia focal (f) de la lente y la distancia de trabajo (WD) de la lente. .

Una relación útil entre la distancia de trabajo WD, el aumento (x) y la distancia focal (f) es la siguiente: WD = F (X-1)/X

1.2 Longitud focal (f)

La distancia focal, también conocida como longitud focal, es una medida de la concentración o divergencia de la luz en un sistema óptico, y se refiere a la distancia desde el centro de lentes hasta el punto focal de la recolección de luz. También es la distancia desde el centro óptico de la lente hasta el plano de imagen, como el CCD o CMOS en la cámara. Un sistema óptico con una distancia focal corta tiene una mejor capacidad para recolectar luz que un sistema óptico de larga distancia focal.

La lente industrial general tiene un parámetro de distancia focal fija, que es el indicador más importante de la lente.

Los tipos de distancias focales comúnmente utilizadas en la industria son: 4 mm6mm8mm12mm16mm25mm35mm50 mm75mm100mm, etc. Según diferentes distancias de uso, y con las necesidades de diferentes tipos de cámaras y un campo de vista diferente (FOV), podemos calcular la longitud focal que debe ser para ser usado. El método de cálculo es el anterior.

Diferentes distancias focales, diferentes distancias de objetos y la misma cámara pueden aparecer en el mismo campo de visión. ¿Cómo elegir en este caso?

En general, no se recomienda utilizar el método de imagen con una pequeña distancia focal en el estado de objeto pequeño. Este método hará que la imagen tenga una distorsión física relativamente grande.

1.3 Profundidad de campo (DOF)

La profundidad de campo (DOF) es el rango entre la posición más cercana y la posición más lejana del objeto cuando se le permite concentrarse.

Una estimación aproximada de la profundidad de campo viene dada por la siguiente fórmula:

DOF [MM] = WF/#? P [μm]? K/M^2

Donde P es el tamaño de píxel del sensor, M es el aumento de la lente, y K es un parámetro adimensional dependiendo de la aplicación específica.

Como se puede ver en la fórmula anterior, la profundidad de campo de la lente está estrechamente relacionada con la abertura, y la profundidad de campo de la lente es directamente proporcional a F#. Se puede ver que cuando la lente tiene una cantidad de luz relativamente baja, tendrá una profundidad de campo relativamente grande. ,viceversa.

1.4 Resolución

La resolución es un parámetro importante para medir la nitidez de las imágenes de la lente.

En general, la resolución está determinada por la frecuencia, y la frecuencia se mide por el logaritmo por milímetro (LP/mm), pero la resolución de la lente no es un valor absoluto. La relación entre alternar cuadrados en blanco y negro a menudo se conoce como un par de líneas. La capacidad de mostrar dos cuadrados como entidades separadas en una resolución dada depende del nivel gris. Cuanto mayor sea la distancia gris entre los cuadrados y el espacio (como se muestra a continuación), más fuerte es la capacidad de analizar cuadrados. Esta separación gris se llama contraste (a la frecuencia especificada). La frecuencia espacial dada está en LP/mm. Por lo tanto, es útil calcular la resolución en LP/MM al comparar lentes y determinar la mejor opción para un sensor y aplicación determinados.

El sensor es el punto de partida para calcular la resolución del sistema. A partir del sensor, es más fácil determinar el rendimiento de la lente necesario para satisfacer las necesidades del sensor u otra aplicación. La frecuencia más alta que el sensor puede resolver, la frecuencia nyquist, es en realidad dos píxeles o un par de líneas.

La siguiente tabla muestra los límites nyquist asociados con el tamaño de los píxeles vistos en algunos sensores comunes. La resolución del sensor (resolución espacial de imagen) se puede calcular multiplicando el tamaño de píxel (μm) por 2 (creando el par) y dividiendo el producto en 1000 para convertir mm:

Resolución del sensor (LP/MM) = Resolución de espacio de imagen (LP/MM) = 1000/2 × Pixel Tamaño (μm)

Los píxeles más grandes tienen una resolución de límite más bajo. El sensor de píxeles más pequeño tiene una resolución límite más alta. El tamaño del sensor se refiere al tamaño del área efectiva del sensor de la cámara y generalmente se especifica por el tamaño del formato del sensor. Sin embargo, la relación del sensor exacta variará según la relación de aspecto, y el formato del sensor nominal solo debe usarse como guía, especialmente para lentes telecéntricas y objetivos de alta magnificación. El tamaño del sensor se puede calcular directamente a partir del tamaño del píxel y el número de píxeles activos en el sensor.

Tamaño del sensor horizontal (mm) = [(tamaño de píxel horizontal, μm) × (número de píxeles horizontales activos)]/1000 μm/mm

Tamaño del sensor vertical (mm) = [(tamaño de píxel vertical, μm) × (número de píxeles verticales activos)]/1000 μm/mm

En general, la imagen de la lente tiene un objeto y una imagen, y la resolución de la lente también se divide en la resolución del objeto y la resolución de la imagen. En general, la coincidencia de la lente y la cámara se basan en la resolución de la imagen y el tamaño del píxel. La precisión de la evaluación se basa en la resolución del objeto. ¿Cuál es la relación entre estas dos resoluciones?

Resolución espacial de objeto (LP/mm) = resolución espacial de imagen (LP/MM) × X

En general, al desarrollar una aplicación, los requisitos de resolución del sistema no se dan en LP/MM sino en μm o pulgadas. Hay dos formas de convertir:

Resolución espacial del objeto (μm) = 1000 (μm/mm)/[2 × Resolución espacial del objeto (LP/mm)]

U resolución espacial de objeto (μm) = tamaño de píxel (μm) / aumento del sistema

1.5 Contraste (nitidez)

El contraste describe el grado de discriminación entre blanco y negro en una resolución de objeto dada. Para que la imagen se vea nítida, los detalles negros deben mostrarse en detalles en blanco y negro deben mostrarse en blanco (como se muestra a continuación). Cuanto más tiende a la información en blanco y negro al gris medio, menor será el contraste con esta frecuencia. Cuanto mayor sea la diferencia de intensidad entre las líneas de luz y oscura, mayor es el contraste.

Se puede ver en la figura que la transición de negro a blanco es un alto contraste y el gris en el medio indica un bajo contraste.

El contraste a una frecuencia dada se puede calcular de acuerdo con la siguiente fórmula. Entre ellos, IMAX es la intensidad máxima (generalmente se usa el valor de gris píxel si se usa la cámara), la imin es la intensidad mínima:

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

El contraste (nitidez) de una lente determina directamente la precisión distintiva de las características límite cuando se detectan contornos visuales. En general, la detección de contorno visual utiliza la iluminación de la luz de fondo para capturar el objeto. El nivel del contraste determina directamente la precisión de la extracción de borde mediante el algoritmo de imagen, que finalmente determina la precisión del resultado de la salida.

1.6 Apertura (F#) / apertura numérica (NA)

La configuración F/# en la lente controla una serie de parámetros de lente: flujo luminoso total, profundidad de campo y la capacidad de producir contraste a una resolución dada. Hablando fundamentalmente, F/# es la relación entre la distancia focal efectiva (EFL) y el diámetro de apertura efectivo (DEP) de la lente:

F/#= EFL/ DEP

Los valores típicos de F/# son 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, y así sucesivamente. Para cada aumento en F/#, la luz incidente se reduce en un factor de dos. Como se muestra abajo.

La mayoría de las lentes se establecen F/# girando el anillo de ajuste del iris, que a su vez abre y cierra la apertura interna del iris. El número marcado en el círculo de ajuste indica el flujo luminoso y su diámetro de apertura asociado. Estos números a menudo aumentan en múltiplos de 21/2. Aumentar el f/# por un coeficiente de 21/2 bits a la mitad del área de apertura, reduciendo efectivamente el flujo luminoso de la lente en un factor de dos. Las lentes F/# más bajas se consideran más rápidas y permiten que pase más luz a través del sistema, mientras que las lentes F/# más altas se consideran más lentas y tienen un flujo luminoso más bajo.

La siguiente tabla muestra ejemplos de f/#, diámetro de apertura y tamaño de apertura efectivo para una lente de distancia focal de 25 mm. Cuando la configuración se cambia de f/1 a f/2 y luego de f/4 a f/8, la apertura de la lente para cada intervalo se reducirá por la mitad. Esto describe la reducción del flujo asociado con el aumento en la lente F/#.

La abertura tiene una relación directa con el brillo de la superficie de imagen de la lente, pero está estrechamente relacionada con el contraste de la imagen, la resolución y la profundidad de campo. Cuando ajustamos la apertura de la lente, debemos considerar su impacto en toda la imagen. Específicamente, F/# está directamente relacionado con la resolución teórica y los límites de contraste, así como la profundidad de campo (DOF) y la profundidad de enfoque de la lente. Además, también afecta las aberraciones del diseño de la lente. A medida que el tamaño del píxel continúa disminuyendo, F/# se convertirá en el rendimiento del sistema limitante de factores más importante porque es inversamente proporcional a la profundidad de campo y la resolución. En las ecuaciones para el trabajo de cálculo f/#, x representa la ampliación paraxial de la lente objetivo (la relación de la imagen a la altura del objeto). Tenga en cuenta que cuanto más cercano x es 0 (cuanto más cerca esté el objeto al infinito), más cerca será la distancia de trabajo f/# para el infinito f/#. En el caso de una pequeña distancia de trabajo, es importante tener en cuenta que F/# cambia a medida que cambia la distancia de trabajo.

La f/# en la ecuación [f/# = EFL/DEP "se define a una distancia de trabajo infinita, donde el aumento es en realidad 0. En este sentido, la definición de f/# es limitada. En la mayoría de las aplicaciones de visión bíblica, La longitud del objeto y la lente es mucho más corta que la distancia inalámbrica, y F/# se expresa con mayor precisión como el F/# en la siguiente ecuación.

(F/#) w = (1+ | m |) × f/#

La apertura numérica (NA), como F#, es una forma de describir la apertura de la lente. A menudo es más fácil hablar sobre el flujo luminoso total desde la perspectiva del ángulo del cono del lente o la abertura numérica (NA). La abertura numérica de la lente se define como el seno del ángulo de rayos marginales en el espacio de la imagen. (Como se muestra abajo)

Relación entre f/# y apertura numérica NA:

Na = 1/[2 × (f/#)]

La siguiente tabla muestra el diseño f/# típico de la lente (cada dígito posterior se incrementa por un factor de 21/2) y su relación con la abertura numérica.

Las aperturas numéricas a menudo se observan en microscopios, no F/#, pero las aperturas numéricas asignadas a los objetivos del microscopio se especifican en el espacio de objetos porque la recolección de luz es más fácil en este punto. En otro caso, la conjugación infinita puede considerarse como el objetivo opuesto de visión artificial (centrándose en el infinito).

El próximo número de BTSOS continuará compartiendo la introducción relevante de los parámetros de aberración de la lente óptica. ¡Hay preguntas relacionadas y le damos la bienvenida para dejar mensajes en WeChat!