Ez a képalkotó erőforrás-útmutató 1.3. Szakasza.
Rögzített gyújtótávolságú lencsék
A rögzített gyújtótávolságú lencsék, más néven hagyományos vagy entocentrikus lencsék, rögzített szögű látómezővel (AFOV) rendelkező lencsék. Az objektív különböző munkaterületekre fókuszálásával különböző méretű látómező (FOV) érhető el, bár a látószög állandó. Az AFOV-t általában az érzékelő vízszintes méretéhez (szélességéhez) társított teljes szögként (fokban) adják meg, amellyel a lencsét használni fogják.
Megjegyzés: A fix gyújtótávolságú lencséket nem szabad összetéveszteni fix fókuszú lencsék. A fix gyújtótávolságú lencsék különböző távolságokra fókuszálhatók; a fix fókuszú lencséket egyetlen, egyedi WD-n történő használatra szánják. A fix fókuszú lencsékre példaként említhető a sok telecentrikus lencse és a mikroszkóp objektívje.
A lencse gyújtótávolsága határozza meg az AFOV-t. Egy adott érzékelőméretnél minél rövidebb a gyújtótávolság, annál szélesebb az AFOV. Ezenkívül minél rövidebb a lencse gyújtótávolsága, annál rövidebb a távolság, amely szükséges ugyanazon FOV eléréséhez, mint egy hosszabb gyújtótávolságú lencse. Egy egyszerű, vékony domború lencse esetében a gyújtótávolság a lencse hátsó felületétől a végtelenül messze a lencse elé helyezett tárgyból képzett kép síkjához való távolság. Ebből a meghatározásból kiderül, hogy az objektív AFOV-ja összefügg a gyújtótávolsággal (1. egyenlet), ahol $ \ small {f} $ a gyújtótávolság, $ \ small {H} $ pedig az érzékelő mérete ( 1. ábra).
1. ábra: Egy adott érzékelőméretnél a H, a rövidebb gyújtótávolság szélesebb AFOV-t eredményez.
Általában azonban a gyújtótávolságot a hátsó főtől mérjük sík, ritkán helyezkedik el a képalkotó lencse hátulján; ez az egyik oka annak, hogy a paraxiális egyenletek alapján kiszámított WD-k csak közelítések, és a rendszer mechanikai tervezését csak számítógépes szimulációval előállított adatok vagy a lencse specifikációs táblázataiból származó adatok felhasználásával szabad megtervezni. A paraxiális számítások, akárcsak az objektívszámológépek, jó kiindulópont a lencse kiválasztási folyamatának felgyorsításához, de az előállított numerikus értékeket körültekintően kell használni.
Rögzített gyújtótávolságú lencsék használatakor háromféleképpen lehet változtassa meg a rendszer FOV-ját (kamera és objektív). Az első és gyakran a legegyszerűbb lehetőség a WD cseréje az objektívről az objektumra; a lencsét a tárgy síkjától távolabb mozgatva megnő az FOV. A második lehetőség az lencse cseréje egy másik fókusztávolsággal. A harmadik lehetőség az érzékelő méretének megváltoztatása; egy nagyobb érzékelő nagyobb FOV-t eredményez ugyanarra a WD-re, ahogyan azt az 1. egyenlet meghatározza.
Bár nagyon kényelmes lehet egy nagyon széles AFOV, néhány negatívumot figyelembe kell venni. Először is, az egyes rövid gyújtótávolságú lencsékkel összefüggő torzítások nagymértékben befolyásolhatják a tényleges AFOV-t, és a torzítás miatt a WD-vel szembeni szögváltozásokat okozhatnak. Ezután a rövid gyújtótávolságú lencsék általában a legmagasabb teljesítmény eléréséért küzdenek, összehasonlítva a hosszabb fókusztávolságú opciókkal (lásd a 3. legjobb gyakorlat a Bevált módszerek a jobb képalkotáshoz című cikket). Ezenkívül a rövid gyújtótávolságú lencséknek nehézségei lehetnek a közepes és nagy szenzorméretek lefedésével, ami korlátozhatja azok használhatóságát, amint azt a Relatív megvilágítás, a Kidobás és a Vignettálás című témakör tárgyalja. a rendszer vagy varifokális lencsét, vagy zoom lencsét használ; az ilyen típusú lencsék lehetővé teszik a gyújtótávolságuk beállítását, így változó AFOV-val rendelkeznek. A varifokális és zoom objektíveknek gyakran vannak méret- és költséghátrányai a fix gyújtótávolságú objektívekhez képest, és gyakran nem tudnak ugyanolyan teljesítményt nyújtani, mint a fix gyújtótávolságú lencsék.
WD és FOV használata a fókusztávolság meghatározásához
Sok alkalmazásban az objektumtól szükséges távolság és a kívánt FOV (általában az objektum mérete további puffertérrel) ismert mennyiségek. Ez az információ felhasználható a szükséges AFOV közvetlen meghatározására a 2. egyenleten keresztül. A 2. egyenlet egyenértékű egy háromszög csúcsszögének megtalálásával, amelynek magassága megegyezik a WD-vel, és az alapja megegyezik a vízszintes FOV-val vagy HFOV-val, amint az látható. 2. ábra: Megjegyzés: A gyakorlatban ennek a háromszögnek a csúcsa ritkán helyezkedik el a lencse mechanikai elülső részén, amelyből a WD-t mérik, és csak közelítésként használható, hacsak a bejárati pupilla elhelyezkedése nem ismert.
Miután meghatározta a szükséges AFOV-t, a gyújtótávolság megközelíthető az 1. egyenlet segítségével, és a megfelelő lencse kiválasztható a lencse specifikációs táblázatából vagy adatlapjából úgy, hogy megtalálja a legközelebbi elérhető fókusztávolságot a a használt érzékelő.
Az 1. példában levezetett 14,25 ° (lásd az alábbi fehér keretet) használható a szükséges lencse meghatározására, de az érzékelő méretét is meg kell választani. Az érzékelő méretének növelésével vagy csökkentésével megváltozik az objektív képének nagy része; ez megváltoztatja a rendszer AFOV-ját és ezáltal a teljes FOV-t. Minél nagyobb az érzékelő, annál nagyobb az elérhető AFOV ugyanarra a gyújtótávolságra. Például 25 mm-es objektív használható ½ ”(6,4 mm-es vízszintes) érzékelővel, vagy 35 mm-es objektív használható 2/3” (8,8 mm-es vízszintes) érzékelővel, mivel mindkettő hozzávetőlegesen 14,5 ° AFOV-t eredményezne a megfelelő érzékelők. Alternatív megoldásként, ha az érzékelőt már megválasztották, a gyújtótávolság közvetlenül meghatározható az FOV és a WD alapján, a 2. egyenlet 1. egyenletének helyettesítésével, a 3. egyenlet szerint.
(3) $$ f = \ frac {\ left (H \ times \ text {WD} \ right)} {\ text {FOV}} $$
Amint azt korábban említettük, a rendszer WD-jének bizonyos mértékű rugalmasságát figyelembe kell venni , mivel a fenti példák csak elsőrendű közelítések, és nem veszik figyelembe a torzításokat sem.
2. ábra: FOV, szenzorméret és WD kapcsolata egy adott AFOV esetében.
FOV kiszámítása rögzített nagyítású objektív használatával
Általában olyan objektívek, amelyek rögzített nagyításokkal rendelkeznek fix vagy korlátozott WD tartományokkal. Míg egy telecentrikus vagy más rögzített nagyítású lencse használata korlátozóbb lehet, mivel a WD változtatásával nem tesznek lehetővé különféle FOV-okat, a számítások rájuk nagyon közvetlenek, amint azt a 4. egyenlet mutatja.
(4 ) $$ \ text {FOV} = \ frac {H} {m} $$
Mivel a kívánt FOV és érzékelő gyakran ismert, az objektívválasztási folyamat egyszerűsíthető az 5. egyenlet használatával.
(5) $$ m = \ frac {H} {\ text {FOV}} $$
Ha a szükséges nagyítás már ismert és a WD korlátozott, akkor a 3. egyenlet átrendeződött (a $ \ small {\ tfrac {H} {\ text {FOV}}} $ nagyítással helyettesítve), és a megfelelő fix fókusztávolságú lencse meghatározására használatos, a 6. egyenlet szerint.
(6 ) $$ m = \ frac {f} {\ text {WD}} $$
Ne feledje, hogy a 6. egyenlet közelítő érték, és 0,1-nél nagyobb nagyítás vagy rövid WD esetén gyorsan romlani fog. A 0,1-nél nagyobb nagyításokhoz vagy rögzített nagyító lencsét, vagy számítógépes szimulációkat (pl. Zemax) kell használni a megfelelő lencsemodellel. Ugyanezen okokból az interneten általánosan megtalálható lencse kalkulátorokat csak referenciaként szabad használni. Ha kétségei merülnek fel, olvassa el az objektív specifikációs táblázatát.
Megjegyzés: A vízszintes FOV-ot általában kényelmi okokból használják az FOV megbeszélésekor, de az érzékelő oldalarányának (az érzékelő szélességének és magasságának aránya) meg kell adni. figyelembe kell venni annak biztosítása érdekében, hogy a teljes objektum illeszkedjen a képbe, ahol a képarányt töredékként használják (pl. 4: 3 = 4/3), 7. egyenlet.
(7) $$ \ text {Horizontal FOV} = \ text {Vertical FOV} \ times \ text {Aspect Ratio} $$
Bár a legtöbb érzékelő 4: 3, 5: 4 és 1: 1 arányú, szintén meglehetősen gyakoriak. Ez a képarány-különbség az azonos szenzorformátumú érzékelők különböző méreteihez vezet. Az ebben a szakaszban használt összes egyenlet függőleges FOV-hoz is használható, mindaddig, amíg az érzékelő függőleges dimenziója be van cserélve az egyenletekben megadott vízszintes dimenzióba.
LENCS FOCAL HOSSZ PÉLDÁK
WD és FOV használata a gyújtótávolság meghatározásához
1. példa: A kívánt 200 mm-es WD-vel és 50 mm-es FOV-val rendelkező rendszer esetén mi az AFOV?
\ begin { igazítás} \ text {AFOV} & = 2 \ szer \ tan ^ {- 1} \ bal ({\ frac {50 \ text {mm}} {2 \ szor 200 \ text {mm}}} \ right) \\ \ text {AFOV} & = 14.25 ° \ end {align}
FOV kiszámítása objektívvel Rögzített nagyítás
2. példa: ½ ”érzékelőt használó alkalmazások esetén, amelyek vízszintes érzékelőmérete 6,4 mm, a vízszintes FOV 25 mm-re van szükség.
\ begin {align } m & = \ frac {6.4 \ text {mm}} {25 \ text {mm}} \\ m & = 0,256 \ text {X} \\ \ end {align}
A rögzített nagyítás vagy telencent listájának áttekintésével ric lencsék esetén megfelelő nagyítás választható.
Megjegyzés: A nagyítás növekedésével a FOV mérete csökken; a kiszámítottnál alacsonyabb nagyítás általában kívánatos, hogy a teljes FOV látható legyen. A 2. példa esetében a 0,25X-es objektív a legközelebbi általános lehetőség, amely 25,6 mm-es FOV-t eredményez ugyanazon az érzékelőn.
