Paramètres physiques de l'objectif optique

1,1 grossissement (x)

Le grossissement X de l'optique est utilisé pour décrire le rapport de la taille de l'image (H ') à la taille de l'objet (H):

X = h '/ h

Généralement, lors de l'imagerie avec une caméra avec une caméra industrielle, la taille de l'image est la taille physique de la puce de la caméra (H * V)

H = nombre de cellules horizontales sur la puce * Longueur latérale des pixels

V = nombre de cellules verticales sur la puce * Longueur latérale du pixel

La taille de l'objet (H * V) est le champ de vision (FOV) de l'objectif entier avec l'imagerie de la caméra

H = h / x

V = v / x

L'objectif industriel général n'a pas le facteur d'agrandissement car la lentille industrielle générale a un grossissement différent lorsqu'il est utilisé à différentes distances de travail. À l'heure actuelle, nous devons calculer la distance focale (f) de la lentille et la distance de travail (WD) de la lentille. .

Une relation utile entre la distance de travail WD, le grossissement (x) et la distance focale (f) est la suivante: wd = f (x-1) / x

1.2 Focale (F)

La distance focale, également connue sous le nom de focale, est une mesure de la concentration ou de la divergence de la lumière dans un système optique, et se réfère à la distance du centre de l'objectif au point focal de la collecte de lumière. Il s'agit également de la distance entre le centre optique de l'objectif et le plan d'imagerie comme le CCD ou les CMO dans la caméra. Un système optique avec une courte distance focale a une meilleure capacité à collecter la lumière qu'un système optique à longue distance focale.

L'objectif industriel général a un paramètre focal fixe, qui est l'indicateur le plus important de la lentille.

Les types de focaux couramment utilisés dans l'industrie sont: 4mm6mm8mm12mm16mm25mm35mm50 mm75 mm100mm, etc. Selon différentes distances d'utilisation, et avec les besoins de différents types de caméras et différents champs de vision (FOV), nous pouvons calculer la longueur focale qui doit être utilisé. La méthode de calcul est comme ci-dessus.

Différentes focales, différentes distances d'objet et la même caméra peuvent apparaître le même champ de vision. Comment choisir dans ce cas?

Généralement, il n'est pas recommandé d'utiliser la méthode d'imagerie avec une petite distance focale à l'état de petit objet. Cette méthode fera que l'image aura une distorsion physique relativement importante.

1.3 Profondeur de champ (DOF)

La profondeur de champ (DOF) est la plage entre la position la plus proche et la position la plus éloignée de l'objet lorsqu'elle est autorisée à se concentrer.

Une estimation approximative de la profondeur de champ est donnée par la formule suivante:

Dof [mm] = wf / #? P [μm]? K / M ^ 2

Lorsque P est la taille des pixels du capteur, M est le grossissement de l'objectif et K est un paramètre sans dimension en fonction de l'application spécifique.

Comme le montre la formule ci-dessus, la profondeur du champ de la lentille est étroitement liée à l'ouverture, et la profondeur de champ de l'objectif est directement proportionnelle à F #. On peut voir que lorsque l'objectif a une quantité relativement faible de lumière, il aura une profondeur de champ relativement importante. ,vice versa.

1.4 Résolution

La résolution est un paramètre important pour mesurer la netteté de l'imagerie de la lentille.

En général, la résolution est déterminée par la fréquence et la fréquence est mesurée par le logarithme par millimètre (LP / mm), mais la résolution de la lentille n'est pas une valeur absolue. La relation entre les carrés noirs et blancs alternés est souvent appelée paire de lignes. La capacité d'afficher deux carrés en tant qu'entités distinctes à une résolution donnée dépend du niveau gris. Plus la distance grise entre les carrés et l'espace (comme indiqué ci-dessous), plus la capacité d'analyser les carrés d'analyse. Cette séparation grise est appelée contraste (à la fréquence spécifiée). La fréquence spatiale donnée est en LP / mm. Par conséquent, il est utile de calculer la résolution en LP / mm lors de la comparaison des lentilles et de la détermination du meilleur choix pour un capteur et une application donnés.

Le capteur est le point de départ pour calculer la résolution du système. À partir du capteur, il est plus facile de déterminer les performances de l'objectif nécessaires pour répondre aux besoins du capteur ou d'une autre application. La fréquence la plus élevée que le capteur peut résoudre, la fréquence de Nyquist, est en fait de deux pixels ou une paire de lignes.

Le tableau suivant montre les limites de Nyquist associées à la taille des pixels observés sur certains capteurs communs. La résolution du capteur (résolution spatiale d'image) peut être calculée en multipliant la taille des pixels (μm) par 2 (créant la paire) et en divisant le produit par 1000 pour convertir MM:

Résolution du capteur (LP / mm) = Résolution de l'espace d'image (LP / mm) = 1000/2 × Taille de pixels (μm)

Les pixels plus grands ont une résolution limite plus faible. Le capteur de pixel plus petit a une résolution limite plus élevée. La taille du capteur fait référence à la taille de la zone efficace du capteur de la caméra et est généralement spécifiée par la taille du format du capteur. Cependant, le rapport de capteur exact variera en fonction du rapport d'aspect, et le format de capteur nominal ne doit être utilisé que comme guide, en particulier pour les lentilles télécentriques et les objectifs élevés d'agrément. La taille du capteur peut être calculée directement à partir de la taille des pixels et du nombre de pixels actifs sur le capteur.

Taille du capteur horizontal (mm) = [(taille horizontale des pixels, μm) × (nombre de pixels horizontaux actifs)] / 1000 μm / mm

Taille du capteur vertical (mm) = [(taille verticale des pixels, μm) × (nombre de pixels verticaux actifs)] / 1000 μm / mm

En général, l'imagerie de l'objectif a un objet et une image, et la résolution de l'objectif est également divisée en résolution d'objets et en résolution d'image. Généralement, l'objectif et la correspondance de l'appareil photo sont basés sur la résolution d'image et la taille des pixels. La précision de l'évaluation est basée sur la résolution de l'objet. Quelle est la relation entre ces deux résolutions?

Résolution spatiale d'objet (LP / mm) = Résolution spatiale d'image (LP / mm) × x

En général, lors du développement d'une application, les exigences de résolution du système ne sont pas données en LP / mm mais en μm ou en pouces. Il y a deux façons de convertir:

Résolution spatiale des objets (μm) = 1000 (μm / mm) / [2 × Résolution spatiale d'objet (LP / mm)]

Ou résolution spatiale d'objet (μm) = taille pixel (μm) / grossissement du système

1,5 contraste (netteté)

Le contraste décrit le degré de discrimination entre le noir et le blanc à une résolution d'objets donnée. Pour rendre l'image nette, les détails noirs doivent être affichés en noir et blanc que les détails doivent être affichés en blanc (comme indiqué ci-dessous). Plus les informations en noir et blanc tend vers le gris moyen, plus le contraste est bas à cette fréquence. Plus la différence d'intensité entre les lignes claires et sombres est grande, plus le contraste est élevé.

On peut voir à partir de la figure que la transition du noir au blanc est un contraste élevé et que le gris au milieu indique un faible contraste.

Le contraste à une fréquence donnée peut être calculé en fonction de la formule suivante. Parmi eux, IMAX est l'intensité maximale (généralement la valeur de gris pixel est utilisée si la caméra est utilisée), IMIN est l'intensité minimale:

% Contraste = [(iMax-imin) / (iMax + imin)] × 100

Le contraste (netteté) d'une lentille détermine directement la précision distinctive des caractéristiques limites lorsque des contours visuels sont détectés. Généralement, la détection des contour visuels utilise l'éclairage du rétroéclairage pour capturer l'objet. Le niveau du contraste détermine directement la précision de l'extraction des bords par l'algorithme d'image, qui détermine finalement la précision du résultat de sortie.

1.6 ouverture (F #) / ouverture numérique (NA)

Le réglage F / # sur l'objectif contrôle un certain nombre de paramètres de lentilles: flux lumineux total, profondeur de champ et capacité de produire du contraste à une résolution donnée. Fondamentalement parlant, F / # est le rapport entre la distance focale effective (EFL) et le diamètre d'ouverture effectif (DEP) de l'objectif:

F / # = efl / DEP

Les valeurs f / # typiques sont 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, etc. Pour chaque augmentation de F / #, la lumière incidente est réduite d'un facteur de deux. Comme indiqué ci-dessous.

La plupart des lentilles sont définies f / # en tournant l'anneau de réglage de l'iris, qui à son tour s'ouvre et ferme l'ouverture de l'iris interne. Le nombre marqué sur le cercle de réglage indique le flux lumineux et son diamètre d'ouverture associé. Ces nombres augmentent souvent en multiples de 21/2. L'augmentation du F / # par un coefficient de 21/2 bits aura de moitié de moitié la zone d'ouverture, réduisant efficacement le flux lumineux de l'objectif d'un facteur de deux. Les objectifs F / # inférieurs sont considérés comme plus rapidement et permettent à plus de lumière de passer par le système, tandis que les objectifs F / # plus élevés sont considérés comme plus lents et ont un flux lumineux plus bas.

Le tableau suivant montre des exemples de f / #, de diamètre d'ouverture et de taille d'ouverture efficace pour une lentille focale de 25 mm. Lorsque le réglage est passé de f / 1 à f / 2, puis de f / 4 à f / 8, l'ouverture de la lentille pour chaque intervalle sera réduite de moitié. Ceci décrit la réduction du flux associé à l'augmentation de l'objectif f / #.

L'ouverture a une incidence directe sur la luminosité de la surface d'imagerie de l'objectif, mais elle est étroitement liée au contraste d'image, à la résolution et à la profondeur de champ. Lorsque nous ajustons l'ouverture de l'objectif, nous devons considérer son impact sur l'image entière. Plus précisément, F / # est directement lié à des limites de résolution et de contraste théoriques ainsi que de la profondeur de champ (DOF) et de la profondeur de focus de la lentille. De plus, cela affecte également les aberrations de la conception de la lentille. Comme la taille des pixels continue de diminuer, F / # deviendra le facteur le plus important limitant les performances du système car il est inversement proportionnel à la profondeur du champ et de la résolution. Dans les équations du travail de calcul f / #, x représente le grossissement paraxial de la lentille objective (le rapport de l'image à la hauteur de l'objet). Notez que plus le X est proche de 0 (plus l'objet est proche de l'infini), plus la distance de travail F / # est proche de l'infini f / #. Dans le cas d'une petite distance de travail, il est important de garder à l'esprit que F / # change à mesure que la distance de travail change.

Le f / # dans l'équation [f / # = efl / DEp "est défini à une distance de travail infinie, où le grossissement est en fait 0. En ce sens, la définition de f / # est limitée. Dans la plupart des applications de vision machine, La longueur de l'objet et de l'objectif est beaucoup plus courte que la distance sans fil, et F / # est exprimée plus précisément en fonction du F / # fonctionnant dans l'équation suivante.

(F / #) w = (1+ | m |) × f / #

L'ouverture numérique (NA), comme F #, est un moyen de décrire l'ouverture de la lentille. Il est souvent plus facile de parler du flux lumineux total du point de vue de l'angle du cône de lentille ou de l'ouverture numérique (NA). L'ouverture numérique de la lentille est définie comme le sinus de l'angle de rayon marginal dans l'espace d'image. (Comme indiqué ci-dessous)

Relation entre f / # et ouverture numérique Na:

Na = 1 / [2 × (f / #)]

Le tableau suivant montre la disposition F / # typique de la lentille (chaque chiffre suivant est incrémenté d'un facteur de 21/2) et de sa relation avec l'ouverture numérique.

Les ouvertures numériques sont souvent notées dans les microscopes, et non F / #, mais les ouvertures numériques attribuées aux objectifs du microscope sont spécifiées dans l'espace des objets car la collecte de lumière est plus facile à ce stade. Dans un autre cas, la conjugaison infinie peut être considérée comme l'objectif de vision inverse de la machine (en se concentrant sur l'infini).

Le prochain numéro de BTSOS continuera de partager l'introduction pertinente des paramètres d'aberration des lentilles optiques. Il y a des questions connexes et nous vous invitons à laisser des messages sur WeChat!