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以VST镜头为例讲解工业镜头参数解释


I N D E X

■失真

■工作距离
(Working Distance)
■F Number
(F#)
■电视失真 ■ O/I
(Object to Imager)
■实效F
■光学倍率 ■成像圈 ■NA
(Numerical Aperture)
■监视放大 ■相机 Mount ■边缘亮度
■解析度 ■视野
(FOV)
■远心镜头
■解像力 ■景深
(DOF)
 
■MTF
(Modulation Transfer Function)
■焦距
(f)
 
◆远心 ◆景深(DOF) ◆通风盘及解析度
◆MTF 及解析度    
 
     
 

■失

图1,图2 参照

 
     
  ■电视失真

实际边长的歪曲形状与理想的形状的百分比算出的值

 
     
 

■光学倍率

主点和成像关系:光学倍率就是物体与像的比。关系就是以下的情况。

 

 
     
  ■电视频幕倍率(TV倍率)  
 

监视器对角线 × 光学倍率 = 监视器倍率
传感器对角线

例)VS-MS1+10x镜头 1/2” CCD 照相机, 14”监视器上的成像


25.4×14(英寸) × 10(x)= 444.5x
8(mm)

0.1mm的物体在监视器得到的是44.45mm的成像
※有时根据TV监视器的扫描状态,以上的简易计算将有一些变化

 
     
 

■解析度
表示了所能见到了2点的间隔
0.61x 使用波长(λ)/ NA=解析度(μ)
以上的计算方法理论上可以计算出解析度,但不包括失真。
※使用波长为550nm

 
     
  ■解像力

1mm中间可以看到黑白线的条数。单位(lp)/mm.

 
     
  ■MTF(Modulation Transfer Function)

成像时再现物体表面的浓淡变化而使用的空间周波数和对比度。

 
     
 

■工作距离(Working Distance)
镜头的镜筒到物体的距离

 
     
  ■ O/I(Object to Imager)

物像间距离。物体到像间的长度。

 
     
 
■成像圈

成像尺寸φ , 要输入相机感应器尺寸。


■相机(镜头)接口 Mount

C-mount: 1" diameter x 32 TPI: FB: 17.526mm
CS-mount: 1" diameter x 32 TPI: FB: 12.526mm
F-mount: FB:46.5mm
M72-Mount: FB 厂家各有不同


■视野 (FOV)

使用照相机以后看到的物体侧的范围
照相机有效区域的纵向长度(V)/光学倍率(M)=视野(V)
照相机有效区域的横向长度(H)/光学倍率(M)=视野(H)
*我们的技术资料上的视野范围是指由光源及有效区域的一般数值计算出来的值。
「照相机有效区域的纵向长度(V)or(H)=
照相机一个画素的尺寸×有効画素数(V)or(H)」
来计算。

 
     
  ■景深 (DOF)
     
2(

允许误差值 x 实效F

)=DOF

光学倍率 X 光学倍率

     
 

允许误差值

=DOF

NA x 光学倍率

景深是指成像后物体的距离。同样,照相机侧的范围称为焦点深度。具体的景深的值多少略有不同。

 
     
  ■焦距 (f)

f(Focal Length)光学系的后主点(H2)到焦点面的距离。

 
     
  ■FNO

镜头从无限远时,亮度表示的数值,值越小越亮。FNO=焦距/入射孔径或有効口径=f/D

 
     
  ■实效F

有限距离时镜头的明亮度。
实效F = (1 +光学倍率) x F#
实效F = 光学倍率 / 2NA

 
     
  ■NA(Numerical Aperture)

物体侧的 NA = sin u x n
成像侧的NA' = sin u'x n'
如下图所示 入社角度 u, 物体侧折射率n, 成像侧的折射率' n'
NA = NA' x 放大率

 
     
  ■边缘亮度

相对照度是指中央的照度与周边的照度的百分比。

 
     
  ■远心镜头s

主光线与镜头光源平行的镜头。有物体侧的远心,成像侧的远心,两侧的远心行头等方式。

 
     
 

◆远心度

远心度是指对于物体方向的倍率误差。倍率误差越少,远心效果就越高。
远心镜头用于尺寸测量等各种用途,在使用镜头之前,把握远心度是非常重要的事情。因为远心镜头是主光线与镜头光轴平行的,对于测试高度上有不同物体时,是非常宝贵的工具。如果远心度比较差的话,画面的周边与中心,还有高度不同物体的成像效果会有不同。这样的话使用远心镜头的效果反而会变得没有意义。
关于远心度的确认,在如同下图的测试时,可以很简单的确认做出来


 
     
 

◆景深 (DOF)

我公司的目录里记载的景深(Depth of Field)可以用以下的计算式计算出来:
景深 = 2 x Permissible COC x 实效F / 光学倍率2
= 允许误差值 / (NA x 光学倍率)

(在这个目录中,我们使用的是0.04mm的Permissible COC)

 
     
 

◆爱里斑及解析


爱里斑是指通过没有像差的镜头,把光集中在一点上,而这一点会形成同心圆。
这个同心圆称为艾里斑。爱里斑的半径r,是在使用没有像差镜头的条件下,
计算出来的。这个值我们称为解析度。
r=0.61λ/NA
艾里斑的径根据波长而变化,波长越长在1点集中的难度越大。这个根据公式就可以理解。
例)NA为0.07的镜头,波长为550nm的情况下
r=0.61*0.55/0.07=4.8μ
此目录上的解析度是通过这个爱里斑半径而计算出的数值。

 
     
 

◆MTF 及解析度

MTF(Modulation Transfer Function) 是指物体表面的浓淡变化,成像侧也被再现出来。表示镜头的成像性能,成像再现物体的对比度的程度。 测试对比性能,用的是具有特定空间周波数的黑白间隔测试。空间周波数是指1mm的距离浓淡变化的程度。 图一所示,黑白矩阵波,黑白的对比度为100%.这个对象被镜头摄影后,成像的对比度的变化被定量化。基本上,不管什么镜头,都会出现对比度降低的情况。最终对比度降低至0%。,不能进行颜色的区别。


 

图2、3 显示了物体侧与成像侧的空间周波数的变化。横轴表示空间周波数,纵轴表示亮度。物体侧与成像侧的对比度由A、B计算出来。MTF由A,B的比率计算出来。

 
 

接下来,是解析度和MTF的关系。解析度是表示可以识别出的2个点之间分开距离的间隔大小。一般,根据解析度的数值来判断镜头好坏的情况比较多。实际上,MTF和解析度的关系很大。参考了图4后,相信解析度和MTF的关系就可以明白。
图4是2支性能不同的镜头的MTF曲线图。镜头a的极限解析度较低,在低空间频率时,对比度性能较好。镜头b的极限解析度较高,在低空间频率时,对比度性能较差。
就像刚才所说得,因为通常在低频率时,对比度可以比较好的体现出来,当MTF接近100%的高频率时对比度会变得不清晰。如超过极限解像力的频率,对比度将消失,图像这边的对比度会变成无法区分黑色的灰色。而实际上,因为镜头有像差,在达到极限解像力前,就会失去对比度。一般情况下,阈值被设为0.1。以此为前提再看图4时,可以确定以下的事情。
MTF表中,在I附近的低频率领域内,验证是镜头a比较好,II附近的高频率领域内,镜头b的性能比较好。
通过以上的内容可以判断出,镜头b虽然从镜头的基本性能(极限解析度)的角度出发,被认为性能较好。可是根据使用方的使用环境,片面的仅以解析度来判断镜头的好坏是不可取的。


 
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