Οι κύριες παράμετροι των οπτικών φακών

Στον τομέα της οπτικής, οι παράμετροι των οπτικών φακών διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στην απόδοση και την εφαρμογή τους. Τα παρακάτω είναι μια λεπτομερής και σε βάθος ανάλυση των βασικών παραμέτρων των οπτικών φακών, σε συνδυασμό με πρακτικά παραδείγματα εφαρμογών που πρέπει να απεικονιστούν.

Εστιακό μήκος: Ο ελεγκτής της αναλογίας απεικόνισης

Το εστιακό μήκος, ως ένα από τα βασικά στοιχεία του οπτικού συστήματος, ορίζεται ως η απόσταση από το κύριο σημείο στο επίκεντρο. Διαδραματίζει κεντρικό ρόλο στον προσδιορισμό της αναλογικής σχέσης μεταξύ της εικόνας και του πραγματικού αντικειμένου. Όταν η απόσταση αντικειμένου διατηρείται σταθερή, προτιμώνται οι φακοί μεγάλου εστιακού μήκους εάν είναι επιθυμητή μια μεγάλη αναλογική εικόνα.

Για παράδειγμα, στη φωτογραφία της άγριας φύσης, οι φωτογράφοι συχνά πρέπει να συλλάβουν αιχμηρές λεπτομέρειες των ζώων χωρίς να φτάνουν αρκετά κοντά για να τους ενοχλήσουν. Σε αυτή την περίπτωση, η χρήση ενός μακρού φακού εστιακού μήκους (π.χ. 600mm ή ακόμα και μεγαλύτερη) μπορεί να φέρει το μακρινό ζώο πιο κοντά, έτσι ώστε να καταλαμβάνει ένα μεγαλύτερο μέρος της εικόνας και τις λεπτομέρειες της γούνας, των ματιών και άλλων ζώων εμφανίζονται σαφώς.

Στην αρχιτεκτονική ενός οπτικού συστήματος, υπάρχει διαφορά μεταξύ του εστιακού μήκους του αντικειμένου (μπροστινό εστιακό μήκος F) και του εστιακού μήκους της εικόνας (F '). Το εστιακό μήκος του αντικειμένου είναι η απόσταση από το κύριο σημείο αντικειμένου H στο σημείο εστίασης του αντικειμένου F. Το εστιακό μήκος της εικόνας είναι η απόσταση από το κύριο σημείο εικόνας H 'στο σημείο εστίασης της εικόνας F'. Οι θετικές και αρνητικές του ιδιότητες εξαρτώνται από την κατεύθυνση του κύριου σημείου στο επίκεντρο και η κατεύθυνση της διάδοσης του φωτός είναι η ίδια, αν τα δύο είναι η ίδια κατεύθυνση, το εστιακό μήκος του θετικού. Διαφορετικά, είναι αρνητικό. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην περίπτωση ενός συστήματος με το ίδιο μέσο και από τις δύο πλευρές, το εστιακό μήκος της εικόνας και το αντικείμενο εστιακής από πλευράς παρουσιάζουν την ιδιότητα ότι είναι ίση σε αξία και αντίθετο σε σημάδι, δηλαδή F '= -φά.

Σχετικό άνοιγμα και αριθμός ανοίγματος (F-Number): Κόλποι ρύθμισης για φωτισμό εικόνας

Το σχετικό άνοιγμα είναι η αναλογία της διαμέτρου του μαθητή προς το εστιακό μήκος (D/F), η οποία επηρεάζει κυρίως την φωτεινότητα του επιπέδου εικόνας. Η φωτεινότητα του επιπέδου εικόνας ενός φωτογραφικού φακού είναι ανάλογη προς το τετράγωνο του σχετικού ανοίγματος. Σε σκηνές με χαμηλό φωτισμό, όπως η νυχτερινή φωτογραφία ή όταν απαιτούνται πολύ σύντομοι χρόνοι έκθεσης για να συλλάβει κίνηση υψηλής ταχύτητας (όπως η δράση των αθλητών σε ένα αθλητικό γεγονός), η ανάγκη βελτίωσης της φωτεινότητας της εικόνας είναι κρίσιμη, είναι κρίσιμη, είναι κρίσιμη, είναι κρίσιμη, είναι κρίσιμη, είναι κρίσιμη και επομένως απαιτείται ένα μεγάλο σχετικό άνοιγμα. Οι φακοί συνήθως χρησιμοποιούν τον αριθμό του ανοίγματος F για να υποδείξουν το μέγεθος του ανοίγματος και ο αριθμός ανοίγματος F είναι ο αμοιβαίος του σχετικού ανοίγματος, δηλ. F = F '/D.

Μέγεθος οπτικού πεδίου και μεγέθους επιπέδου εικόνας: Καθορισμός στοιχείων του πεδίου σκοποβολής

Το οπτικό πεδίο ενός φακού καθορίζει την έκταση της φωτογραφίας που φωτογραφίζεται. Δεδομένου ότι τα φωτογραφικά συστήματα τείνουν να απεικονίζουν απομακρυσμένα αντικείμενα, το επίπεδο εικόνας είναι γενικά κοντά στο εστιακό επίπεδο. Επομένως, η σχέση μεταξύ του μεγέθους του επιπέδου της εικόνας και του οπτικού πεδίου 2W 'μπορεί να εκφραστεί ως ο τύπος: y' = f'tanw ', όπου y' αντιπροσωπεύει την ακτίνα της περιοχής του επιπέδου εικόνας.

Στον τομέα των αισθητήρων βιομηχανικών φωτογραφικών μηχανών, CCD ή CMOS ως κοινό δέκτη προσώπου εικόνας, χωρισμένος σε συστοιχία προσώπου και συστοιχία γραμμών δύο τύπων. Στις παραμέτρους του φακού, το μέγεθος του αισθητήρα χρησιμοποιείται επίσης συχνά για να υποδείξει το μέγεθος του οπτικού πεδίου.

Οι αισθητήρες προσώπου-συστοιχίας έχουν μια ορθογώνια περιοχή εργασίας, το μέγεθος του οποίου μετράται συνήθως από την άποψη του διαγώνιου μήκους. Οι αισθητήρες γραμμής διαθέτουν μονάδες εικονοστοιχείων διατεταγμένες σε μία μόνο σειρά και οι προδιαγραφές τους εκφράζονται με όρους αριθμού και μεγέθους μονάδων εικονοστοιχείων. Οι προδιαγραφές των αισθητήρων συστοιχίας γραμμής είναι 1Κ, 2K, 4K, 8K, 12K, κλπ. Και οι μονάδες εικονοστοιχείων είναι 5 μm, 7 μm, 10 μm, 14 μm κ.ο.κ.

Για τον ίδιο αισθητήρα, ο μακρύς φακός εστιακού μήκους αντιστοιχεί σε ένα μικρότερο οπτικό πεδίο, μπορεί να απέχει πολύ μακριά από τη σκηνή για να πυροβολήσει μια μεγαλύτερη εικόνα, οπότε στη σκηνή φωτογραφίας μεγάλων αποστάσεων χρησιμοποιείται ευρέως, γνωστή ως κεφαλή τηλεσκοπίου. Ο μικρός φακός εστιακού μήκους έχει μεγαλύτερο οπτικό πεδίο, μπορεί να είναι κοντά σε μια μεγαλύτερη γκάμα σκηνών στην επιφάνεια της εικόνας, οπότε ονομάζεται φακός ευρείας γωνίας, ενώ το οπτικό πεδίο ονομάζεται ευρύτερα ως φακός ψαριού. Μεταξύ των δύο ενδιάμεσων, το εστιακό μήκος είναι περίπου ίσο με το διαγώνιο μήκος του φακού είναι ο τυπικός φακός.

Λειτουργικό μήκος κύματος: Το φασματικό εύρος στο οποίο λειτουργεί ένας φακός.

Οι οπτικοί φακοί έχουν σχεδιαστεί για ελαφριά κύματα μέσα σε ένα συγκεκριμένο εύρος μήκους κύματος. Τα ελαφρά κύματα που εκπέμπονται από το επίπεδο αντικειμένου μπορούν να περάσουν από το φακό για να σχηματίσουν μια σαφή εικόνα στο επίπεδο εικόνας μόνο εάν βρίσκονται εντός του εύρους μήκους κύματος για το οποίο ο φακός είναι προσαρμοσμένος και η εξασθένηση της ενέργειας είναι σχετικά μικρή στη διαδικασία. Στον τομέα της αστρονομικής παρατήρησης, το φως που εκπέμπεται από διαφορετικά ουράνια σώματα καλύπτει ένα ευρύ φάσμα μήκους κύματος. Για παράδειγμα, η παρατήρηση των αστεριών απαιτεί τη χρήση οπτικών φακών που μπορούν να προσαρμοστούν σε ορατό φως και μερικά μήκη κύματος κοντά στην υπέρυθρη ακτινοβολία, επειδή τα αστέρια ακτινοβολούν έντονα σε αυτές τις περιοχές μήκους κύματος. Για την παρατήρηση ορισμένων νεφελώνων, επειδή το φως που εκπέμπει μπορεί να περιέχει συγκεκριμένες γραμμές εκπομπής, όπως μερικές από τις φασματικές γραμμές υδρογόνου σε συγκεκριμένα μήκη κύματος, είναι απαραίτητο να ειδικευτεί σε αυτά τα μήκη κύματος που έχουν σχεδιαστεί για το φακό για να συλλάβουν τα αδύναμα σήματα φωτός τους, Προκειμένου να αποκτήσουν μια σαφή εικόνα για να βοηθήσουν τους αστρονόμους να μελετήσουν τη δομή και τη σύνθεση του νεφελώματος. Το φως είναι ουσιαστικά ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα και ανάλογα με το μήκος κύματος, μπορεί να χωριστεί σε διάφορες φασματικές ζώνες που καλύπτουν το υπεριώδη, υπεριώδη, υπεριώδη, ορατά, υπέρυθρες και άλλες περιοχές, το καθένα με μοναδικές οπτικές ιδιότητες.

Ψήφισμα: Ο δικαστής της ποιότητας της εικόνας του φακού

Η ανάλυση είναι ένας από τους σημαντικότερους δείκτες της ποιότητας ενός φακού και ορίζεται ως ο αριθμός των ζευγαριών ασπρόμαυρων λωρίδων που ο φακός είναι σε θέση να διακρίνει μέσα σε ένα χιλιοστό μονάδας από το επίπεδο εικόνας.

Η ανάλυση είναι 1/2 d, όπου το D είναι το πλάτος της γραμμής. Η μονάδα ανάλυσης είναι LP/mm (ζεύγος γραμμών/mm). Στο εστιακό επίπεδο ενός ιδανικού φακού απεικόνισης, η αντίστοιχη απόσταση μεταξύ των δύο λωρίδων που μπορούν να επιλυθούν.

Η αμοιβαία του είναι η ανάλυση του ιδανικού φακού, ο οποίος υπολογίζεται ως:

Όπου λ αντιπροσωπεύει το κεντρικό μήκος κύματος, σε χιλιοστά. Μπορεί να φανεί ότι η ανάλυση του ιδανικού φακού και το σχετικό άνοιγμα συνδέεται στενά με το σχετικό άνοιγμα, τόσο μεγαλύτερο είναι το σχετικό άνοιγμα, τόσο μικρότερο είναι το f/#, τόσο υψηλότερη είναι η ανάλυση.

Στη λιθογραφία ημιαγωγών, υπάρχουν εξαιρετικά υψηλές απαιτήσεις για ανάλυση φακών. Προκειμένου να δημιουργηθούν δομές μικρότερου κυκλώματος στο τσιπ, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν οπτικοί φακοί υψηλής ανάλυσης. Για παράδειγμα, στον προχωρημένο εξοπλισμό λιθογραφίας, η ανάλυση του φακού για να διακρίνει δεκάδες νανομέτρων ή ακόμα και μικρότερες γραμμές και μοτίβα, που απαιτεί τον φακό στη διαδικασία σχεδιασμού και κατασκευής για τον αυστηρά έλεγχο της εκτροπής και άλλων παραγόντων για να εξασφαλίσει ότι το Πολύ μικρή κλίμακα για την επίτευξη απεικόνισης υψηλής ακρίβειας, έτσι ώστε να προωθηθεί η συνεχής πρόοδος της τεχνολογίας κατασκευής τσιπ. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι αυτός ο τύπος καθορίζει μόνο την ανάλυση του κέντρου του οπτικού πεδίου. Στην άκρη του οπτικού πεδίου, η ανάλυση μειώνεται επειδή η γωνία ανοίγματος της δέσμης απεικόνισης είναι μικρότερη από το σημείο επί του άξονα.

Σε πραγματικούς φωτογραφικούς φακούς, η πραγματική ανάλυση είναι πολύ χαμηλότερη από αυτή ενός ιδανικού φακού λόγω της παρουσίας μεγάλης υπολειμματικής εκτροπής. Επομένως, η πραγματική ανάλυση ενός φακού χαρακτηρίζεται συνήθως από μια συνάρτηση μεταφοράς διαμόρφωσης (MTF: λειτουργία μεταφοράς διαμόρφωσης), η οποία ορίζεται ως η αναλογία της αντίθεσης του επιπέδου εικόνας στην αντίθεση του αντικειμένου σε μια συγκεκριμένη χωρική συχνότητα, που εκφράζεται με βάση τον αριθμό των ζευγών γραμμών ανά χιλιοστό (LP/mm). Για έναν δεδομένο φακό, η τιμή MTF ποικίλλει σε διαφορετικές χωρικές συχνότητες. Σε γενικές γραμμές, καθώς η χωρική συχνότητα αυξάνεται, η τιμή MTF θα μειωθεί σταδιακά μέχρι να τείνει στο μηδέν και η χωρική συχνότητα όταν το MTF είναι μηδέν ονομάζεται συχνότητα αποκοπής του φακού.

Σε πρακτικές βιομηχανικές εφαρμογές, επειδή το σύστημα χρησιμοποιεί έναν αισθητήρα επιφανειακής συστοιχίας ή συστοιχίας γραμμής ως συσκευή απεικόνισης, η ανάλυση του συστήματος θα περιορίζεται επίσης από την ανάλυση στοιχείων εικόνας του αισθητήρα απεικόνισης. Η ανάλυση των εικονοστοιχείων υπολογίζεται ως NF-1/2P, όπου το P είναι το μέγεθος της μονάδας εικονοστοιχείων. Για παράδειγμα, όταν το μέγεθος των εικονοστοιχείων ενός CCD είναι 5 x 5 microns, η ανάλυση των εικονοστοιχείων είναι

Η ανάλυση των εικονοστοιχείων του αισθητήρα περιορίζει θεμελιωδώς τη μέγιστη ανάλυση του συστήματος, ακόμη και αν ο ίδιος ο φακός έχει υψηλή ανάλυση, το σύστημα δεν μπορεί να διακρίνει τις λεπτές λεπτομέρειες πάνω από την ανάλυση των εικονοστοιχείων. Επομένως, στην πραγματική διαδικασία επιλογής φακού, η ανάλυση φακού συνήθως απαιτείται να είναι ελαφρώς υψηλότερη από την ανάλυση των εικονοστοιχείων για να διασφαλιστεί ότι το σύστημα μπορεί να φτάσει στη μέγιστη ανάλυση που περιορίζεται από τον αισθητήρα.