To jest sekcja 1.3 przewodnika po zasobach obrazowania.
Obiektywy o stałej ogniskowej
Soczewka o stałej ogniskowej, znana również jako soczewka konwencjonalna lub entocentryczna, to soczewka o stałym kątowym polu widzenia (AFOV). Ogniskowanie obiektywu dla różnych odległości roboczych (WD) pozwala uzyskać różną wielkość pola widzenia (FOV), przy stałym kącie widzenia. AFOV jest zwykle określane jako pełny kąt (w stopniach) powiązany z wymiarem poziomym (szerokością) czujnika, z którym obiektyw ma być używany.
Uwaga: Obiektywy o stałej ogniskowej nie powinny być mylone z obiektywy o stałej ogniskowej. Obiektywy o stałej ogniskowej można ogniskować na różne odległości; Obiektywy o stałej ogniskowej są przeznaczone do użytku w jednym, konkretnym WD. Przykładami obiektywów o stałej ogniskowej są liczne obiektywy telecentryczne i obiektywy mikroskopu.
Ogniskowa obiektywu określa AFOV. Dla danego rozmiaru matrycy im krótsza ogniskowa, tym szersze AFOV. Ponadto im krótsza ogniskowa obiektywu, tym krótsza odległość potrzebna do uzyskania takiego samego pola widzenia w porównaniu z obiektywem o większej ogniskowej. W przypadku prostej, cienkiej soczewki wypukłej ogniskowa to odległość od tylnej powierzchni soczewki do płaszczyzny obrazu utworzonego przez obiekt umieszczony nieskończenie daleko przed soczewką. Z tej definicji można wykazać, że AFOV obiektywu jest związane z ogniskową (równanie 1), gdzie $ \ small {f} $ to ogniskowa, a $ \ small {H} $ to rozmiar czujnika ( Rysunek 1).
Rysunek 1: Dla danego rozmiaru czujnika, H, krótsze ogniskowe dają szersze AFOV.
Ogólnie jednak ogniskowa jest mierzona od tylnej części głównej samolot, rzadko umiejscowiony z tyłu mechanicznej soczewki obrazującej; jest to jeden z powodów, dla których wartości WD obliczone za pomocą równań równoległych są jedynie przybliżeniami, a projekt mechaniczny systemu powinien być opracowywany wyłącznie przy użyciu danych uzyskanych podczas symulacji komputerowej lub danych pobranych z tabel specyfikacji obiektywów. Obliczenia równoległe do osi, podobnie jak w przypadku kalkulatorów obiektywów, są dobrym punktem wyjścia do przyspieszenia procesu wyboru obiektywu, ale uzyskane wartości liczbowe powinny być używane ostrożnie.
W przypadku korzystania z obiektywów o stałej ogniskowej istnieją trzy sposoby zmienić FOV systemu (aparat i obiektyw). Pierwszą i często najłatwiejszą opcją jest zmiana WD z obiektywu na obiekt; odsunięcie soczewki dalej od płaszczyzny obiektu zwiększa FOV. Drugą opcją jest zamiana obiektywu na inny o innej ogniskowej. Trzecią opcją jest zmiana rozmiaru czujnika; większy czujnik da większe FOV dla tego samego WD, jak zdefiniowano w równaniu 1.
Chociaż bardzo szerokie AFOV może być wygodne, należy rozważyć kilka negatywów. Po pierwsze, poziom zniekształcenia, który jest związany z niektórymi obiektywami o krótkiej ogniskowej, może znacznie wpłynąć na rzeczywistą wartość AFOV i może powodować zmiany kąta w stosunku do WD z powodu zniekształceń. Następnie obiektywy o krótkiej ogniskowej zazwyczaj mają trudności z uzyskaniem najwyższego poziomu wydajności w porównaniu z opcjami o dłuższej ogniskowej (patrz: Najlepsza praktyka nr 3 w Najlepszych praktykach dotyczących lepszego obrazowania). Ponadto obiektywy o krótkiej ogniskowej mogą mieć trudności z pokryciem średnich i dużych rozmiarów czujnika, co może ograniczać ich użyteczność, co omówiono w części Relative Illumination, Roll-Off i Vignetting.
Inny sposób zmiany FOV a system zakłada użycie obiektywu zmiennoogniskowego lub obiektywu zmiennoogniskowego; tego typu soczewki pozwalają na regulację ich ogniskowych i dzięki temu mają zmienne AFOV. Obiektywy zmiennoogniskowe i zmiennoogniskowe często mają wady rozmiaru i kosztów w porównaniu z obiektywami o stałej ogniskowej i często nie zapewniają takiego samego poziomu wydajności jak obiektywy stałoogniskowe.
Używanie WD i FOV do określenia ogniskowej
W wielu zastosowaniach wymagana odległość od obiektu i pożądane pole widzenia (zwykle rozmiar obiektu z dodatkową przestrzenią buforową) są wielkościami znanymi. Ta informacja może być użyta do bezpośredniego określenia wymaganego AFOV za pomocą Równania 2. Równanie 2 jest równoważne znalezieniu kąta wierzchołka trójkąta o wysokości równej WD i jego podstawie równej poziomemu FOV lub HFOV, jak pokazano na Rysunek 2. Uwaga: W praktyce wierzchołek tego trójkąta rzadko znajduje się na mechanicznym przodzie soczewki, z którego mierzy się WD, i należy go używać tylko jako przybliżenie, chyba że znane jest położenie źrenicy wejściowej.
Po określeniu wymaganego AFOV ogniskową można oszacować za pomocą równania 1, a odpowiednią soczewkę można wybrać z tabeli specyfikacji obiektywu lub arkusza danych, znajdując najbliższą dostępną ogniskową z wymaganym AFOV dla używany czujnik.
14,25 ° otrzymane w przykładzie 1 (patrz białe pole poniżej) może być użyte do określenia potrzebnej soczewki, ale należy również wybrać rozmiar czujnika. Wraz ze zwiększaniem lub zmniejszaniem rozmiaru czujnika będzie to zmieniało ilość wykorzystywanego obrazu obiektywu; zmieni to AFOV systemu, a tym samym ogólne FOV. Im większy czujnik, tym większe AFOV dostępne dla tej samej ogniskowej. Na przykład obiektyw 25 mm może być używany z czujnikiem ½ ”(6,4 mm w poziomie) lub obiektyw 35 mm może być używany z czujnikiem 2/3” (8,8 mm w poziomie), ponieważ oba te obiekty w przybliżeniu wytwarzają 14,5 ° AFOV na ich odpowiednie czujniki. Alternatywnie, jeśli czujnik został już wybrany, ogniskową można określić bezpośrednio na podstawie FOV i WD, zastępując Równanie 1 w Równaniu 2, jak pokazano w Równaniu 3.
(3) $$ f = \ frac {\ left (H \ times \ text {WD} \ right)} {\ text {FOV}} $$
Jak już wspomniano, należy wziąć pod uwagę pewną elastyczność systemu WD , ponieważ powyższe przykłady są jedynie przybliżeniami pierwszego rzędu i również nie uwzględniają zniekształceń.
Rysunek 2: Zależność między FOV, rozmiarem czujnika i WD dla danego AFOV.
Obliczanie FOV przy użyciu obiektywu ze stałym powiększeniem
Ogólnie rzecz biorąc, soczewki, które mają stałe powiększenia mają stałe lub ograniczone zakresy WD. Podczas gdy używanie telecentrycznego lub innego obiektywu o stałym powiększeniu może być bardziej ograniczające, ponieważ nie pozwalają one na różne FOV przez zmianę WD, obliczenia dla nich są bardzo bezpośrednie, jak pokazano w równaniu 4.
(4 ) $$ \ text {FOV} = \ frac {H} {m} $$
Ponieważ pożądane pole widzenia i czujnik są często znane, proces wyboru soczewki można uprościć, korzystając z równania 5.
(5) $$ m = \ frac {H} {\ text {FOV}} $$
Jeśli wymagane powiększenie jest już znane, a WD jest ograniczone, równanie 3 można przestawiony (zastępując $ \ small {\ tfrac {H} {\ text {FOV}}} $ powiększeniem) i użyty do określenia odpowiedniego obiektywu o stałej ogniskowej, jak pokazano w równaniu 6.
(6 ) $$ m = \ frac {f} {\ text {WD}} $$
Należy pamiętać, że równanie 6 jest przybliżeniem i będzie się szybko pogarszać dla powiększeń większych niż 0,1 lub dla krótkich WD. W przypadku powiększeń powyżej 0,1 należy użyć obiektywu o stałym powiększeniu lub symulacji komputerowych (np.Zemax) z odpowiednim modelem soczewki. Z tych samych powodów kalkulatory soczewek powszechnie dostępne w Internecie powinny być używane wyłącznie w celach informacyjnych. W razie wątpliwości zapoznaj się z tabelą specyfikacji obiektywów.
Uwaga: Poziome FOV jest zwykle używane w dyskusjach na temat FOV dla wygody, ale współczynnik kształtu czujnika (stosunek szerokości czujnika do jego wysokości) musi należy wziąć pod uwagę, aby upewnić się, że cały obiekt pasuje do obrazu, w którym proporcje są używane jako ułamek (np. 4: 3 = 4/3), Równanie 7.
(7) $$ \ text {FOV w poziomie} = \ text {FOV w pionie} \ times \ text {Współczynnik kształtu} $$
Chociaż większość czujników to 4: 3, 5: 4 i 1: 1, są również dość powszechne. To rozróżnienie współczynnika kształtu prowadzi również do różnych wymiarów czujników tego samego formatu. Wszystkie równania użyte w tej sekcji mogą być również użyte do pionowego FOV, o ile pionowy wymiar czujnika jest zastąpiony poziomym wymiarem określonym w równaniach.
DŁUGOŚĆ OGNISKOWA OBIEKTYW PRZYKŁADY
Użycie WD i FOV do określenia ogniskowej
Przykład 1: W przypadku systemu o pożądanym WD 200 mm i FOV 50 mm, jakie jest AFOV?
\ begin { align} \ text {AFOV} & = 2 \ times \ tan ^ {- 1} \ left ({\ frac {50 \ text {mm}} {2 \ times 200 \ text {mm}}} \ right) \\ \ text {AFOV} & = 14.25 ° \ end {align}
Obliczanie FOV za pomocą obiektywu z Stałe powiększenie
Przykład 2: W przypadku aplikacji korzystającej z czujnika ½ ”, który ma czujnik poziomy o wielkości 6,4 mm, pożądane jest poziome pole widzenia 25 mm.
\ begin {align } m & = \ frac {6.4 \ text {mm}} {25 \ text {mm}} \\ m & = 0,256 \ text {X} \\ \ end {align}
Przeglądając listę stałego powiększenia lub telecent ric, można wybrać odpowiednie powiększenie.
Uwaga: wraz ze wzrostem powiększenia wielkość pola widzenia będzie się zmniejszać; powiększenie mniejsze niż obliczone jest zwykle pożądane, aby można było zobaczyć pełne pole widzenia. W przypadku przykładu 2 soczewka 0,25X jest najbliższą powszechną opcją, która daje 25,6 mm FOV na tym samym czujniku.
