Die physikalischen Parameter der optischen Linse

1.1 Vergrößerung (x)

Die Vergrößerung x der Optik wird verwendet, um das Verhältnis der Bildgröße (H ') zur Objektgröße (H) zu beschreiben:

X = h '/h

Im Allgemeinen hat sich die Bildgröße bei der Bildgebung mit einer Kamera mit einer Industriekamera die physische Größe des Kamera -Chips (H*V)

H = Anzahl der horizontalen Zellen auf der Chip * Seitenlänge der Pixel

v = Anzahl der vertikalen Zellen auf der Chip * -Seitenlänge des Pixels

Die Objektgröße (H*V) ist das Sichtfeld (FOV) der gesamten Linse mit der Kamera -Bildgebung

H = H/x

V = v/x

Die allgemeine Industrielinse hat nicht den Vergrößerungsfaktor, da die allgemeine Industrielinse bei unterschiedlichen Arbeitsabständen eine andere Vergrößerung aufweist. Zu diesem Zeitpunkt müssen wir die Brennweite (f) der Linse und den Arbeitsabstand (WD) der Linse berechnen. .

Eine nützliche Beziehung zwischen Arbeitsabstand WD, Vergrößerung (x) und Brennweite (f) ist wie folgt: WD = F (x-1)/x

1,2 Brennweite (f)

Die fokale Länge, auch als Brennweite bezeichnet, ist ein Maß für die Konzentration oder Divergenz des Lichts in einem optischen System und bezieht sich auf den Abstand vom Linsenzentrum zum Brennpunkt der Lichtsammlung. Es ist auch der Abstand von der optischen Mitte der Linse zur Bildebene wie dem CCD oder CMOs in der Kamera. Ein optisches System mit kurzer Brennweite hat eine bessere Fähigkeit, Licht zu sammeln als ein optisches System mit langer Brennweite.

Die allgemeine Industrielinse hat einen festen Parameter mit fester Brennweite, was der wichtigste Indikator für die Linse ist.

Die in der Branche üblicherweise verwendeten Arten von Brennweiten sind: 4mm6mm8mm12mm16mm25mm35mm50mm75mm100 mm usw. Gemäß den unterschiedlichen Verwendung Entfernungen und mit den Bedürfnissen verschiedener Arten von Kameras und unterschiedlichen Sichtfeld gebraucht. Die Berechnungsmethode ist wie oben.

Unterschiedliche Brennweiten, unterschiedliche Objektabstände und die gleiche Kamera können das gleiche Sichtfeld erscheinen. Wie wählen Sie in diesem Fall?

Im Allgemeinen wird nicht empfohlen, die Bildgebungsmethode mit einer kleinen Brennweite im kleinen Objektzustand zu verwenden. Diese Methode bewirkt, dass das Bild eine relativ große physikalische Verzerrung aufweist.

1,3 Feldtiefe (DOF)

Die Feldtiefe (DOF) ist der Bereich zwischen der nächsten Position und der am weitesten entfernten Position des Objekts, wenn es sich konzentrieren darf.

Eine grobe Schätzung der Feldtiefe wird durch die folgende Formel angegeben:

Dof [mm] = wf/#? P [μm]? K/m^2

Wobei P die Pixelgröße des Sensors ist, M ist die Linsenvergrößerung und k ist abhängig von der spezifischen Anwendung ein dimensionsloser Parameter.

Wie aus der obigen Formel ersichtlich ist, ist die Feldtiefe der Linse eng mit der Apertur verwandt, und die Feldtiefe der Linse ist direkt proportional zu F#. Es ist ersichtlich, dass das Objektiv eine relativ geringe Lichtmenge hat, es eine relativ große Feldtiefe hat. ,und umgekehrt.

1.4 Auflösung

Auflösung ist ein wichtiger Parameter, um die Schärfe der Linsenbildgebung zu messen.

Im Allgemeinen wird die Auflösung durch die Frequenz bestimmt und die Frequenz wird durch den Logarithmus pro Millimeter (LP/mm) gemessen, die Auflösung der Linse ist jedoch kein absoluter Wert. Die Beziehung zwischen abwechselnden Schwarz -Weiß -Quadraten wird oft als Linienpaar bezeichnet. Die Fähigkeit, zwei Quadrate als separate Einheiten bei einer bestimmten Auflösung anzuzeigen, hängt vom Graustufe ab. Je größer der Graustreckenabstand zwischen den Quadraten und dem Raum (wie unten gezeigt), desto stärker ist die Fähigkeit, Quadrate zu analysieren. Diese graue Trennung wird als Kontrast (bei der angegebenen Frequenz) bezeichnet. Die angegebene räumliche Frequenz ist in LP/mm. Daher ist es nützlich, die Auflösung in LP/MM beim Vergleich von Linsen und der Bestimmung der besten Wahl für einen bestimmten Sensor und eine bestimmte Anwendung zu berechnen.

Der Sensor ist der Ausgangspunkt für die Berechnung der Auflösung des Systems. Ausgehend vom Sensor ist es einfacher, die Objektivleistung zu bestimmen, die erforderlich ist, um die Anforderungen des Sensors oder einer anderen Anwendung zu erfüllen. Die höchste Frequenz, die der Sensor auflösen kann, die Nyquist -Frequenz, ist tatsächlich zwei Pixel oder ein Paar Linien.

Die folgende Tabelle zeigt die Nyquist -Grenzen, die mit der Größe der Pixel verbunden sind, die auf einigen gemeinsamen Sensoren zu sehen sind. Die Auflösung des Sensors (räumliche Auflösung von Bild) kann berechnet werden, indem die Pixelgröße (μM) mit 2 (Erstellung des Paares) und das Produkt um 1000 geteilt wird, um MM zu konvertieren:

Sensorauflösung (LP/mm) = Bildraumauflösung (LP/mm) = 1000/2 × Pixelgröße (μm)

Größere Pixel weisen eine untere Grenzauflösung auf. Der kleinere Pixelsensor hat eine höhere Limitauflösung. Die Sensorgröße bezieht sich auf die Größe des effektiven Bereichs des Kamerasensors und wird normalerweise durch die Sensorformatgröße angegeben. Das genaue Sensorverhältnis hängt jedoch je nach Seitenverhältnis ab, und das nominale Sensorformat sollte nur als Leitfaden verwendet werden, insbesondere für telezentrische Objektive und Ziele mit hoher Vergrößerung. Die Sensorgröße kann direkt aus der Pixelgröße und der Anzahl der aktiven Pixel auf dem Sensor berechnet werden.

Horizontale Sensorgröße (mm) = [(horizontale Pixelgröße, μm) × (Anzahl der aktiven horizontalen Pixel)]/1000 μm/mm

Vertikale Sensorgröße (mm) = [(vertikale Pixelgröße, μm) × (Anzahl der aktiven vertikalen Pixel)]/1000 μm/mm

Im Allgemeinen hat die Linsenbildgebung ein Objekt und ein Bild, und die Auflösung der Linse ist ebenfalls in die Objektauflösung und die Bildauflösung unterteilt. Im Allgemeinen basieren das Objektiv und die Kamera -Matching auf der Bildauflösung und der Pixelgröße. Die Genauigkeit der Bewertung basiert auf der Lösung des Objekts. Wie ist die Beziehung zwischen diesen beiden Resolutionen?

Räumliche Auflösung von Objekt (LP/mm) = Bild räumliche Auflösung (LP/mm) × x

Im Allgemeinen werden bei der Entwicklung einer Anwendung die Auflösungsanforderungen des Systems nicht in LP/MM, sondern in μM oder Zoll angegeben. Es gibt zwei Möglichkeiten zu konvertieren:

Die räumliche Auflösung von Objekt (μm) = 1000 (μM/mm)/[2 × Objekt räumliche Auflösung (LP/mm)]

Oder räumliche Auflösung (μm) = Pixelgröße (μM) / Systemvergrößerung

1,5 Kontrast (Schärfe)

Kontrast beschreibt den Grad der Diskriminierung zwischen Schwarz und Weiß bei einer bestimmten Objektauflösung. Damit das Bild scharf aussieht, müssen schwarze Details in Schwarzweißdetails angezeigt werden (wie unten gezeigt) angezeigt werden. Je mehr die Schwarz -Weiß -Informationen zum mittleren Grau tendieren, desto niedriger der Kontrast bei dieser Frequenz. Je größer der Unterschied in der Intensität zwischen hellen und dunklen Linien, desto höher der Kontrast.

Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass der Übergang von Schwarz zu Weiß ein hoher Kontrast ist und das Grau in der Mitte einen niedrigen Kontrast anzeigt.

Der Kontrast bei einer bestimmten Frequenz kann gemäß der folgenden Formel berechnet werden. Unter ihnen ist IMAX die maximale Intensität (normalerweise wird der Pixelgrauwert verwendet, wenn die Kamera verwendet wird). Imin ist die Mindestintensität:

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

Der Kontrast (Schärfe) einer Linse bestimmt direkt die Unterscheidungsgenauigkeit von Grenzmerkmalen, wenn visuelle Konturen erkannt werden. Im Allgemeinen verwendet die visuelle Konturerkennung die Hintergrundbeleuchtung, um das Objekt zu erfassen. Die Ebene des Kontrasts bestimmt direkt die Genauigkeit der Kantenextraktion durch den Bildalgorithmus, der letztendlich die Genauigkeit des Ausgangsergebnisses bestimmt.

1.6 Blende (F#) / Numerische Apertur (NA)

Die F/# -Einstellung auf der Linse steuert eine Reihe von Linsenparametern: Gesamtleuchtfluss, Feldtiefe und die Fähigkeit, bei einer bestimmten Auflösung Kontrast zu erzeugen. Grundsätzlich ist F/# das Verhältnis zwischen der effektiven Brennweite (EFL) und effektivem Aperturdurchmesser (DEP) der Linse:

F/#= efl/ dep

Typische F/# -Werte sind 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 und so weiter. Für jede Erhöhung der F/#wird das einfallende Licht um den Faktor zwei verringert. Wie nachfolgend dargestellt.

Die meisten Objektive werden f/# gesetzt, indem der IRIS -Einstellring gedreht wird, der sich wiederum öffnet und die innere Irisöffnung schließt. Die am Einstellkreis gekennzeichnete Zahl zeigt den leuchtenden Fluss und den zugehörigen Aperturdurchmesser an. Diese Zahlen steigen häufig an Vielfachen von 21/2. Durch Erhöhen des F/# durch einen 21/2-Bit-Koeffizienten halbieren Sie die Aperturfläche und reduzieren den leuchtenden Fluss der Linse effektiv um den Faktor zwei. Niedrigere F/# -Linsen werden als schneller angesehen und lassen mehr Licht durch das System gehen, während höhere F/# -Linsen als langsamer angesehen werden und einen niedrigeren leuchtenden Fluss aufweisen.

Die folgende Tabelle zeigt Beispiele für F/#, Aperturdurchmesser und effektive Öffnungsgröße für eine 25 -mm -Brennweite. Wenn die Einstellung von 1: 1 auf f/2 und dann von f/4 auf f/8 geändert wird, wird die Linsenöffnung für jedes Intervall in zwei Hälften reduziert. Dies beschreibt die Verringerung des Flusses im Zusammenhang mit der Zunahme der Linse f/#.

Die Apertur hat einen direkten Einfluss auf die Helligkeit der Bildgebungsfläche der Linse, ist jedoch eng mit dem Bildkontrast, der Auflösung und der Feldtiefe verwandt. Wenn wir die Linsenöffnung einstellen, müssen wir die Auswirkungen auf das gesamte Bild berücksichtigen. Insbesondere ist F/# in direktem Zusammenhang mit der theoretischen Auflösung und Kontrastgrenzen sowie mit der Fokusstiefe (DOF) und der Linse. Darüber hinaus beeinflusst es auch die Aberrationen des Objektivdesigns. Wenn die Pixelgröße weiter abnimmt, wird F/# die wichtigste faktorbeschränkende Systemleistung, da sie umgekehrt proportional zur Feldtiefe und Auflösung ist. In den Gleichungen für die Berechnungsarbeit f/#repräsentiert X die paraxiale Vergrößerung der objektiven Linse (das Verhältnis des Bildes zur Höhe des Objekts). Beachten Sie, dass je näher x auf 0 liegt (je näher das Objekt unendlich ist), desto näher der Arbeitsabstand f/# ist dem unendlichen F/#. Im Falle einer kleinen Arbeitsentfernung ist es wichtig zu bedenken, dass sich F/# ändert, wenn sich die Arbeitsabstand ändert.

Die F/# in der Gleichung [f/# = efl/dEP "ist in einem unendlichen Arbeitsabstand definiert, wobei die Vergrößerung tatsächlich 0 ist. In diesem Sinne ist die Definition von F/# begrenzt. In den meisten Anwendungen für die Maschinenvision,, Die Länge des Objekts und das Objektiv ist viel kürzer als der drahtlose Abstand, und F/# wird in der folgenden Gleichung genauer ausgedrückt als die funktionierende F/#.

(F/#) w = (1+ | m |) × f/#

Die numerische Apertur (NA) ist wie F#eine Möglichkeit, die Linsenöffnung zu beschreiben. Es ist oft einfacher, aus der Perspektive des Linsenkegelwinkels oder der numerischen Apertur (NA) über den totalen leuchtenden Fluss zu sprechen. Die numerische Blende der Linse ist definiert als Sinus des Randstrahlwinkels im Bildraum. (Wie nachfolgend dargestellt)

Beziehung zwischen F/# und numerischer Apertur NA:

Na = 1/[2 × (f/#)]

Die folgende Tabelle zeigt das typische F/# -Layout der Linse (jede nachfolgende Ziffer wird durch den Faktor 21/2 erhöht) und seine Beziehung zur numerischen Apertur.

Numerische Aperturen werden häufig in Mikroskopen festgestellt, nicht in F/#, sondern numerische Aperturen, die Mikroskopzielen zugeordnet sind, werden im Objektraum angegeben, da die Lichtsammlung an diesem Punkt einfacher ist. In einem anderen Fall kann die unendliche Konjugation als das entgegengesetzte maschinelles Sehobjektiv betrachtet werden (mit Schwerpunkt auf Unendlichkeit).

Die nächste Ausgabe von BTSOS wird weiterhin die relevante Einführung der optischen Linsenaberrationsparameter teilen. Es gibt verwandte Fragen und wir begrüßen Sie, um Nachrichten auf WeChat zu hinterlassen!