I principali parametri delle lenti ottiche

Nel campo dell'ottica, i parametri delle lenti ottiche svolgono un ruolo decisivo nella loro performance e applicazione. Di seguito è riportata un'analisi dettagliata e approfondita dei parametri chiave degli obiettivi ottici, combinati con esempi pratici di applicazione da illustrare.

Lunghezza focale: il controller del rapporto di imaging

La lunghezza focale, come uno degli elementi chiave del sistema ottico, è definita come la distanza dal punto principale al punto focale. Ha un ruolo centrale nel determinare la relazione proporzionale tra l'immagine e l'oggetto reale. Quando la distanza dell'oggetto viene mantenuta costante, si preferiscono lenti a lunghezza focale lunga se si desidera una grande immagine proporzionale.

Ad esempio, nella fotografia di fauna selvatica, i fotografi spesso devono catturare dettagli acuti di animali senza avvicinarsi abbastanza da disturbarli. In questo caso, l'uso di una lente a lunghezza focale lunga (ad es. 600 mm o anche più a lungo) può avvicinare l'animale lontano, in modo che occupa una porzione più ampia dell'immagine e i dettagli della pelliccia, degli occhi e di altre caratteristiche dell'animale sono chiaramente mostrati.

Nell'architettura di un sistema ottico, esiste una differenza tra la lunghezza focale dell'oggetto (lunghezza focale frontale F) e la lunghezza focale dell'immagine (F '). La lunghezza focale dell'oggetto è la distanza dal punto di oggetto principale H al punto focale dell'oggetto F. La lunghezza focale dell'immagine è la distanza dal punto di immagine principale H 'al punto focale di immagine F'. Le sue proprietà positive e negative dipendono dalla direzione del punto principale al punto focale e dalla direzione della propagazione della luce è la stessa, se i due hanno la stessa direzione, la lunghezza focale del positivo; Altrimenti, è negativo. Vale la pena notare che nel caso di un sistema con lo stesso mezzo su entrambi i lati, la lunghezza focale lato immagine e la lunghezza focale lato oggetto mostrano la proprietà di essere uguale nel valore e opposto nel segno, cioè f '= -F.

Apertura relativa e numero di apertura (numero F): mozzi di regolazione per l'illuminazione dell'immagine

L'apertura relativa è il rapporto del diametro della pupilla e della lunghezza focale (D/F), che colpisce principalmente l'illuminanza del piano dell'immagine. L'illuminanza del piano immagine di una lente fotografica è proporzionale al quadrato dell'apertura relativa. Nelle scene con scarsa luminosità, come la fotografia notturna o quando sono necessari tempi di esposizione molto brevi per catturare un movimento ad alta velocità (come l'azione divisa in secondo luogo degli atleti in un evento sportivo), la necessità di migliorare l'illuminanza dell'immagine è fondamentale, è fondamentale, ed è quindi richiesta una grande apertura relativa. Le lenti di solito usano il numero di apertura F per indicare la dimensione dell'apertura e il numero di apertura F è il reciproco dell'apertura relativa, cioè f = f '/d.

Campo visivo e dimensione del piano dell'immagine: definizione di elementi del campo visivo

Il campo visivo di una lente determina l'entità della scena fotografata. Dato che i sistemi fotografici tendono a immaginare oggetti distanti, il piano dell'immagine è generalmente vicino al piano focale. Pertanto, la relazione tra la dimensione del piano dell'immagine e il campo di vista 2w 'può essere espressa come formula: y' = f'tanw ', dove y' rappresenta il raggio dell'area del piano dell'immagine.

Nel campo delle telecamere industriali, i sensori CCD o CMOS come ricevitore facciale di immagine comune, divisi in array di faccia e array di linee due tipi. Nei parametri della lente, la dimensione del sensore viene spesso utilizzata anche per indicare la dimensione del campo visivo.

I sensori di array di faccia hanno un'area di lavoro rettangolare, la cui dimensione viene generalmente misurata in termini di lunghezza diagonale; I sensori di linea di linea hanno unità pixel disposte in una singola riga e le loro specifiche sono espresse in termini di numero e dimensione delle unità pixel. Le specifiche dei sensori di array di linee sono 1K, 2K, 4K, 8K, 12K, ecc. E le unità pixel sono 5 μm, 7 μm, 10 μm, 14 μm e così via.

Per lo stesso sensore, l'obiettivo di lunghezza focale lunga corrisponde a un campo visivo più piccolo, può essere lontano dalla scena per sparare a un'immagine più grande, quindi nella scena fotografica a lunga distanza è ampiamente utilizzata, nota come testa del telescopio; Le lenti a lunghezza focale corta hanno un campo visivo più ampio, può essere vicino a una gamma più ampia di scene nella superficie dell'immagine, quindi è chiamato una lente grandangolare, mentre il campo visivo è più ampiamente chiamato come una lente a pesce; Tra i due in mezzo, la lunghezza focale è approssimativamente uguale alla lunghezza diagonale della lente è la lente standard.

Lunghezza d'onda operativa: l'intervallo spettrale in cui opera una lente.

Le lenti ottiche sono progettate per onde luminose all'interno di un intervallo di lunghezza d'onda specifica. Le onde luminose emesse dal piano dell'oggetto possono passare attraverso la lente per formare un'immagine chiara sul piano dell'immagine solo se si trovano all'interno dell'intervallo di lunghezza d'onda per il quale è adattata la lente e l'attenuazione energetica è relativamente piccola nel processo. Nel campo dell'osservazione astronomica, la luce emessa da diversi corpi celesti copre una vasta gamma di lunghezze d'onda. Ad esempio, l'osservazione delle stelle richiede l'uso di lenti ottiche in grado di adattarsi alla luce visibile e ad alcune lunghezze d'onda del vicino infrarosso, perché le stelle si irradiano fortemente in queste gamme di lunghezze d'onda. Per l'osservazione di alcune nebulose, poiché la luce che emettono può contenere specifiche linee di emissione, come alcune delle linee spettrali di idrogeno a lunghezze d'onda specifiche, è necessario specializzarsi in queste lunghezze d'onda progettate per la lente per catturare i loro segnali di luce deboli, Al fine di ottenere un'immagine chiara per aiutare gli astronomi a studiare la struttura e la composizione della nebulosa. La luce è essenzialmente un'onda elettromagnetica e, a seconda della lunghezza d'onda, può essere divisa in diverse bande spettrali che coprono il vuoto ultravioletto, ultravioletto, visibile, infrarosso e altre regioni, ciascuna con proprietà ottiche uniche.

Risoluzione: il giudice della qualità dell'immagine dell'obiettivo

La risoluzione è uno degli indicatori più importanti della qualità di una lente ed è definita come il numero di coppie di strisce in bianco e nero che l'obiettivo è in grado di distinguere all'interno di un millimetro unitario del piano di immagine.

La risoluzione è 1/2 d, dove D è la larghezza della linea. L'unità di risoluzione è LP/mm (coppia di linee/mm). Nel piano focale di una lente di imaging ideale, la spaziatura corrispondente tra le due strisce che possono essere risolte.

Il suo reciproco è la risoluzione della lente ideale, che viene calcolata come:

Dove λ rappresenta la lunghezza d'onda centrale, in millimetri. Si può vedere che la risoluzione dell'obiettivo ideale e l'apertura relativa è strettamente correlata all'apertura relativa, maggiore è l'apertura relativa, più piccola è f/#, maggiore è la risoluzione.

Nella litografia a semiconduttore, ci sono requisiti estremamente elevati per la risoluzione delle lenti. Al fine di creare strutture di circuiti più piccoli sul chip, è necessario utilizzare lenti ottiche a risoluzione molto elevata. Ad esempio, nelle apparecchiature litografiche avanzate, la risoluzione dell'obiettivo è in grado di distinguere decine di nanometri o linee e modelli anche più piccoli, che richiedono l'obiettivo nel processo di progettazione e produzione per controllare rigorosamente l'aberrazione e altri fattori per garantire che il Scala molto piccola per ottenere imaging ad alta precisione, in modo da promuovere il continuo progresso della tecnologia di produzione di chip. Tuttavia, va notato che questa formula determina solo la risoluzione del centro del campo visivo. Al bordo del campo visivo, la risoluzione è ridotta perché l'angolo di apertura del raggio di imaging è inferiore al punto sull'asse.

Nelle lenti fotografiche effettive, la risoluzione effettiva è molto inferiore a quella di una lente ideale a causa della presenza di una grande aberrazione residua. Pertanto, la risoluzione effettiva di una lente è generalmente caratterizzata da una funzione di trasferimento di modulazione (MTF: funzione di trasferimento di modulazione), che è definita come il rapporto del contrasto del piano dell'immagine con il contrasto del piano oggetto a una specifica frequenza spaziale, che è espresso in termini di numero di coppie di linee per millimetro (LP/mm). Per una determinata lente, il valore MTF varia a diverse frequenze spaziali. In generale, all'aumentare della frequenza spaziale, il valore MTF diminuirà gradualmente fino a quando non tende a zero e la frequenza spaziale quando l'MTF è zero viene chiamata frequenza di taglio della lente.

Nelle applicazioni industriali pratiche, poiché il sistema utilizza un sensore di array di superficie o array di linee come dispositivo di imaging, la risoluzione del sistema sarà limitata anche dalla risoluzione dell'elemento immagine del sensore di imaging. La risoluzione dei pixel viene calcolata come NF-1/2P, dove P è la dimensione dell'unità pixel. Ad esempio, quando la dimensione del pixel di un CCD è di 5 x 5 micron, la risoluzione dei pixel è

La risoluzione dei pixel del sensore limita fondamentalmente la risoluzione massima del sistema, anche se l'obiettivo stesso ha un'alta risoluzione, il sistema non può distinguere i dettagli fini al di sopra della risoluzione dei pixel. Pertanto, nel processo di selezione delle lenti effettivi, la risoluzione dell'obiettivo è generalmente necessaria per essere leggermente superiore alla risoluzione dei pixel per garantire che il sistema possa raggiungere la risoluzione massima limitata dal sensore.