Объектив с фиксированным фокусным расстоянием

Фикс-объектив — это объектив с фиксированным фокусным расстоянием. Этот тип линз характеризуется только одним фокусным расстоянием или только одним полем зрения. Объективы с фиксированным фокусом широко используются в системах промышленной автоматизации или машинного зрения из-за стабильного качества изображения и простоты использования, поэтому их часто называют промышленными объективами, промышленными объективами с фиксированным фокусом, объективами для промышленных камер и объективами для машинного зрения.

GAOPTICS — это торговая марка линз для обработки изображений, принадлежащая United Optical Technology (Beijing) Co., Ltd., которая занимается предоставлением клиентам высококачественных линз для обработки изображений и технических услуг. GAOPTICS предлагает широкий выбор объективов с фиксированным фокусом, а максимальный размер изображения составляет 1/1,8", 2/3", 1", 4/3", что может удовлетворить потребности большинства промышленных камер на рынке. Он имеет стандартную конструкцию с байонетом C, которая легко сочетается с промышленными камерами с байонетом C; передняя часть объектива имеет зарезервированную резьбу, удобную для добавления фильтров; некоторые серии имеют конструкцию с большой апертурой, которая легко подходит для приложений с низким освещением.

2/3-дюймовый объектив F2.0 5M с постоянным фокусным расстоянием.

Объектив 2/3" F2.0 серии 5M с фиксированным фокусным расстоянием разработан с целевой поверхностью 2/3" и совместим с промышленными камерами с площадью изображения 11 мм; его максимальная диафрагма составляет F2.0, а компактная форма и небольшой размер, фокусное расстояние охватывает 8 мм и 12 мм, 16 мм, 25 мм, 35 ​​мм, 50 мм.

Особенности продукта

1. Дизайн поверхности изображения 2/3 дюйма, соответствующий чипу 2/3 дюйма 3,45 мкм;
2. Конструкция с малой апертурой, учитывающая оптическое разрешение и небольшой размер;
3. Минимальное рабочее расстояние составляет 100 мм, что позволяет адаптироваться к окружающей среде с меньшим рабочим расстоянием.

Ниже приведено объяснение параметров объектива. 

1. Фокусное расстояние

Фокусное расстояние относится к расстоянию от оптического центра линзы (оптической задней главной точки) до фокальной точки поверхности изображения. Параллельный свет сходится в точку через линзу. Эта точка является так называемой фокальной точкой и является важным показателем эффективности объектива.

Фокусное расстояние широко используемых промышленных объективов составляет 8 мм, 12 мм, 16 мм, 25 мм, 35 ​​мм, 50 мм и т. д.

Фокусное расстояние — это мера концентрации или расходимости света в оптической системе.

Величина фокусного расстояния определяет размер поля зрения: чем меньше значение фокусного расстояния, тем больше дальность наблюдения, чем больше значение фокусного расстояния, тем меньше угол поля зрения и тем меньше дальность наблюдения.

(Рисунок 1: Фокусное расстояние объектива и рабочее расстояние Выберите )

фокусное расстояние f ÷ рабочее расстояние WD = поперечный размер сенсора ÷ размер бокового поля зрения = вертикальный размер сенсора ÷ вертикальный размер поля зрения

Заднее фокусное расстояние: расстояние от вершины последней поверхности линзы объектива до фокальной точки. Поскольку задняя линза объектива может перемещаться при фокусировке, обычно отмечается заднее фокусное расстояние при фокусировке на бесконечность, то есть минимальное заднее фокусное расстояние, и заднее фокусное расстояние будет увеличиваться при съемке с ограниченного расстояния. 

2. Значение F

Диафрагма Значение F, также известное как число диафрагмы, представляет собой отношение фокусного расстояния объектива к эффективной диафрагме (т.е. диафрагме).

Диафрагма = фокусное расстояние ÷ эффективная апертура    

Значение F измеряет количество света, проходящего через оптическую систему.

(Рисунок 2: Диафрагма и глубина резкости)

Как правило, объектив будет отмечен минимальным числом диафрагмы, то есть максимальной чистой диафрагмой. Например, F1.4, F1.8, F2.0 и так далее.

Регулировка диафрагмы будет иметь два основных эффекта: яркость изображения и глубину резкости.

Чем больше апертура, тем больше света попадает в систему и тем ярче изображение; чем меньше апертура, тем меньше света попадает в систему и тем темнее изображение.

Чем больше диафрагма, тем меньше ГРИП, и размытость очевидна, чем меньше диафрагма, тем больше ГРИП.

(Рис. 3. Большая диафрагма дает большое количество света, а глубина резкости небольшая, и размытие очевидно.)

3. Поле зрения

 В оптической системе угол, образованный линзой как вершиной и двумя краями большего диапазона изображения измеряемого объекта, проходящего через линзу, называется полем зрения. Размер поля зрения определяет поле зрения объектива. Чем больше поле зрения, тем больше поле зрения и меньше оптическое увеличение. Поле зрения связано с размером датчика, а поле зрения объектива должно быть отмечено стандартным размером датчика.

В качестве примера возьмем объектив United Optical 16 мм 2/3 дюйма с фиксированным фокусным расстоянием 5M:

(Таблица 1: Датчик объектива 16 мм и размер поля зрения)

При использовании определенной камеры и съемке с одинакового рабочего расстояния объективы с разным фокусным расстоянием будут иметь разное поле зрения.

(Рис. 4. Та же камера, одинаковое рабочее расстояние, эффект съемки с разным фокусным расстоянием (Примечание: горизонтальное поле зрения отмечено на рисунке))

Поле зрения связано с фокусным расстоянием, как показано на следующем рисунке: Поле зрения связано с фокусным расстоянием объектива.

(Рисунок 5: Фокусное расстояние объектива и поле зрения)

4. Искажение

 В идеальной линзовой визуализации увеличение на плоскости объекта и плоскости изображения фиксировано, но на практике это свойство доступно только в небольшом поле зрения в центральной области изображения. Увеличение изображения изменяется по мере увеличения поля зрения, искажая изображение.

Степень искажения изображения, формируемого объективом на предмете относительно самого предмета, называется дисторсией.

Обычно его делят на два типа:

• Подушкообразное искажение: явление искажения, при котором изображение объектива сжимается к середине.
• Бочкообразная дисторсия: явление искажения, при котором изображение объектива имеет бочкообразную форму.

(Рисунок 6: Подушкообразная и бочкообразная дисторсия)

Искажение искажает изображение, но не влияет на разрешение изображения и может быть исправлено с помощью программного обеспечения.

5. Интерфейс

Метод соединения между камерой и объективом — это оптический интерфейс объектива, и в отрасли сформирована стандартная спецификация для оптического интерфейса. Например порт CS, порт C, порт F. В промышленных приложениях порты C и CS обычно используются на камерах с сенсорами небольшого размера, а порты F используются на камерах с сенсорами больших размеров. Кроме того, есть M42, M58, M72 и т.д., которые обычно используются в камерах линейного сканирования и т.д. Как следует из названия, это порты с резьбой определенного диаметра.

(Таблица 2: Технические характеристики крепления объектива)

6. Максимальный размер датчика

Отображение объектива в плоскости изображения круглое, но датчик, принимающий изображение, обычно имеет прямоугольную форму, поэтому конечное сохраненное изображение будет прямоугольным. Размер изображения объектива будет разработан с датчиком общего размера, так что круг напоминает прямоугольный датчик, и этот размер датчика является максимальным размером датчика объектива.

Если используется датчик большего размера, четыре угла будут за пределами круглого изображения объектива.

Можно использовать датчик меньшего размера, датчик собирает только небольшую область круглого изображения, а поле зрения и поле зрения станут меньше.

(Таблица 3: Размеры сенсора)

(Рис. 7: Поле зрения и сенсор)

(Рис. 8: Круг изображения за пределами совпадающих углов сенсора)

7. Входной зрачок и выходной зрачок.

 Расстояние перед входным зрачком: Входной зрачок — это эффективная апертура, ограничивающая падающий луч, и это изображение, формируемое апертурной диафрагмой передней оптической системой; Расстояние перед входным зрачком — это расстояние между входным зрачком и поверхностью первой линзы объектива.

Диаметр входного зрачка: размер изображения, формируемого апертурной диафрагмой передней оптической системы.

 Расстояние до выходного зрачка: Выходной зрачок — это эффективная апертура, ограничивающая выходящий луч, и это изображение, формируемое апертурной диафрагмой задней оптической системой; расстояние до выходного зрачка — это расстояние между выходным зрачком и последней поверхностью линзы объектив.

Диаметр выходного зрачка: размер изображения, формируемого апертурной диафрагмой задней оптической системы.

Апертурная диафрагма

(Рисунок 9: Входной зрачок и апертурная диафрагма)

Диафрагмой можно назвать линзу, оказывающую ограничивающее воздействие на падающий пучок, например край линзы, резьбу, стенку оправы линзы и т. д.

 Как показано на рисунке, края линз 1 и 2 и апертура 3 могут ограничивать падающий пучок .На рисунке только часть светового луча, которая может пройти через линзу № 1, может попасть в линзу № 2, и только часть светового луча, проходящего через линзу № 2, может попасть в апертуру № 3, поэтому числовая апертура в конечном итоге ограничивает размер светового луча, который может попасть в линзу для формирования изображения.

 Ограничитель, который в конечном итоге ограничивает размер падающего на объектив луча света, называется ограничителем диафрагмы.

 Указывает, что размер апертурной диафрагмы — это не фактический размер, а размер, отображаемый всей оптикой спереди или сзади. На рисунке при наблюдении в точке А апертура № 3 увеличивается линзами № 1 и № 2 в мнимое изображение № 4. Свет из точки А попадает в апертуру № 3 через № 1 и № 2. 2 линзы, и напрямую входит №4 из точки А. Эквивалент. Четвертое изображение, сформированное апертурой двух линз, называется входным зрачком.

Изображение, формируемое апертурной диафрагмой передней оптической системой, называется входным зрачком, а диаметр изображения — диаметром входного зрачка.

Изображение, формируемое апертурной диафрагмой задней оптической системой, называется выходным зрачком, а диаметр изображения — диаметром выходного зрачка.

8. Расстояние от поверхности первого элемента оптической полноразмерной линзы до плоскости изображения.

(Рисунок 10: Общая оптическая длина) 

9. Увеличение.

Это отношение размера изображения объекта в фокальной плоскости через линзу к фактическому размеру объекта. Объектив с фиксированным фокусным расстоянием обычно представляет собой перевернутое изображение с отрицательным знаком увеличения.

Для одного и того же объектива оптическое увеличение связано с расстоянием фотографируемого объекта от объектива, при фокусировке на наименьшем рабочем расстоянии оптическое увеличение оказывается наибольшим.

(Таблица 4: Фокусное расстояние и увеличение)

10. Глубина резкости.

 После того, как объектив сфокусируется на плоскости объекта, появляется четкий диапазон изображения до и после плоскости фокусировки, которые называются глубиной переднего плана и глубиной резкости сзади соответственно.

Глубина резкости = глубина переднего плана + глубина резкости сзади;

(Рисунок 11: Глубина резкости)

Изображение квадратного круга нерезкости: луч изображения не сходится в точке, образуя размытую круговую проекцию на плоскости изображения, называемую кругом нерезкости.

Глубина резкости ΔL=ΔL1+ΔL2

              δ: диаметр кружка нерезкости;

              f: фокусное расстояние;

              F: значение диафрагмы F;

              L: расстояние съемки;

 уменьшение диафрагмы (увеличение значения F), увеличение расстояния съемки и выбор объектив с малым фокусным расстоянием может увеличить глубину резкости.

11. Рабочее расстояние

       Относится к расстоянию от передней части линзы до наблюдаемого объекта.

12. Ключевой угол луча CRA

 CRA линзы представляет собой угол между главным лучом линзы и оптической осью. Главный луч — это луч, исходящий от наблюдаемого объекта и проходящий через центр апертурной диафрагмы к изображению.

 Сенсор CRA: максимальный угол света, который может быть сфокусирован на пикселе. Лучи за пределами этого угла не могут быть полностью приняты датчиком.

 Обычно требуется, чтобы CRA объектива не превышала CRA сенсора камеры.

(Рисунок 12: Угол освещения ключа сенсора)

а. Конденсорная линза над пикселем, б. Металлическая проволока, в. Область фотоэлектрического преобразования.

 На рисунке главный световой угол света № 1 превышает угол светосилы датчика, и свет не может попасть в зону фотопреобразования, главный световой угол № 2 и № 3 меньше, чем угол света датчика, а световой может достигать области фотоэлектрического преобразования.

13. Разрешение

 Разрешение объектива относится к способности объектива различать две точки, которые находятся близко друг к другу, что также известно как разрешающая способность. Разрешение объектива обычно характеризуют с помощью кривой ЧКХ. Кривая MTF представляет соотношение между пространственной частотой и значением передаточной функции. Пространственная частота — это количество пар линий на миллиметр, и она может отображать, насколько близко расположены две точки. Передаточная функция представляет собой контраст, то есть степень, в которой можно различить две близкие точки.

 Разрешение сенсора обычно относится к произведению пикселей по горизонтали и вертикали, например, 5 миллионов пикселей, а пиксели по горизонтали и вертикали сенсора составляют 2560×1920. Один пиксель — это размер элемента изображения, который соответствует размеру и разрешению сенсора. Размер пикселя можно получить, разделив размер сенсора на количество пикселей в соответствии с таблицей 3. Например, 2/3-дюймовый 5-мегапиксельный датчик имеет размер пикселя 3,4 мкм. Разрешение объектива должно соответствовать размеру пикселя. Обычно размер пикселя выбирается равным половине размера пары линий. Например, 1 Объектив с малым пикселем/1,8 дюйма, дизайн с высоким разрешением 230 лп/мм, размер пары линий 1000/230 мкм = 4,34 мкм, соответствующий размер пикселя составляет 4,24/2 мкм = 2,17 мкм, что может соответствовать датчикам 2,2 мкм на рынке. Выбор пикселей меньше 2,2 мкм не дает более богатых деталей. 

14. Кривая ЧКХ.

 Горизонтальная ось представляет пространственную частоту, то есть количество пар линий на миллиметр. Ордината представляет передаточную функцию, значение равно 1, контраст пары линий очевиден и может быть четко различим, значение равно 0, пара линий не может быть различима без контраста.

На рисунке 14 есть несколько кривых, и каждая кривая отмечена высотой изображения. 0 мм представляет значение MTF по оси, а 4,5 мм представляет значение MTF внеосевой высоты изображения 4,5 мм. Тенденция кривых MTF для разных высот изображения постоянна и не разбросана, что указывает на то, что линза имеет высокую согласованность как по оси, так и вне ее. Черная прямая линия представляет собой значение ЧКХ, ограниченное дифракционным пределом.

MTF в области низких частот отражает контрастность линзы, а MTF в области высоких частот отражает разрешение линзы. Идеальная кривая MTF объектива, формирующего изображение, должна уменьшаться медленно. 

(Рис. 13. Кривая MTF для объектива с малым пикселем 1/1,8 дюйма)

15. Другие пояснения.

Зум: когда неудобно управлять размером изображения, изменяя рабочее расстояние, можно заменить объектив на другое фокусное расстояние или использовать зум-объектив. Объектив с переменным фокусным расстоянием имеет на одно кольцо фокусировки больше, чем объектив с фиксированной фокусировкой. Вращением кольца фокусировки можно изменить поле зрения, а при неизменном рабочем расстоянии можно изменить размер изображения.

Фокусировка: Фокусное расстояние объектива с фиксированным фокусом фиксировано. При изменении рабочего расстояния процесс ручной регулировки объектива для получения четкого изображения называется фокусировкой. У объектива с фиксированным фокусным расстоянием обычно есть два кольца: фокусировки и регулировки диафрагмы.

 Фокусировка: при использовании объектива с фиксированным фокусом то, что обычно называют фокусировкой, на самом деле является фокусировкой. Сделайте изображение резким, вращая кольцо фокусировки.

Отличие фокусировки от фокусировки: процесс фокусировки не изменит угол поля зрения, то есть диапазон поля зрения не изменится, а фокус не изменит размер изображения после определения рабочего расстояния; Объектив изменит угол поля зрения (диапазон поля зрения, увеличение, размер изображения), как правило, после завершения фокусировки его необходимо снова сфокусировать, чтобы сформировать четкое изображение.

Фокусное расстояние, рабочее расстояние и увеличение:

(Рисунок 14: Тот же объектив, рабочее расстояние увеличивается, увеличение уменьшается)

(Рисунок 15. Тоже рабочее расстояние, объектив с малым фокусным расстоянием, малое увеличение, объектив с большим фокусным расстоянием, увеличение большое)

В практических приложениях размер изображения можно изменять, регулируя рабочее расстояние или меняя объективы с разным фокусным расстоянием. 

Объектив 8 мм 2/3 дюйма F2,8 5M с постоянным фокусным расстоянием (600057)

Объектив 12 мм 2/3 дюйма F2,0 5M с постоянным фокусным расстоянием (600058)

Объектив 16 мм 2/3 дюйма F2,0 5M с постоянным фокусным расстоянием (600059)

Объектив 25 мм 2/3 дюйма F2,0 5M с постоянным фокусным расстоянием (600060)

Объектив 35 мм 2/3 дюйма F2,0 5M с постоянным фокусным расстоянием (600061)

Объектив 50 мм 2/3 дюйма F2,8 5M с постоянным фокусным расстоянием (600062)