พารามิเตอร์หลักของเลนส์ออพติคอล

ในด้านทัศนศาสตร์พารามิเตอร์ของเลนส์ออพติคอลมีบทบาทเด็ดขาดในประสิทธิภาพและแอปพลิเคชันของพวกเขา ต่อไปนี้คือการวิเคราะห์อย่างละเอียดและเชิงลึกของพารามิเตอร์สำคัญของเลนส์ออปติคัลรวมกับตัวอย่างแอปพลิเคชันที่ใช้งานได้จริงเพื่อแสดงให้เห็น

ความยาวโฟกัส: คอนโทรลเลอร์ของอัตราส่วนการถ่ายภาพ

ความยาวโฟกัสเป็นหนึ่งในองค์ประกอบสำคัญของระบบออปติคัลถูกกำหนดให้เป็นระยะทางจากจุดหลักไปยังจุดโฟกัส มันมีบทบาทสำคัญในการกำหนดความสัมพันธ์ตามสัดส่วนระหว่างภาพและวัตถุจริง เมื่อระยะเวลาของวัตถุคงที่เลนส์ยาวโฟกัสยาวจะเป็นที่ต้องการหากต้องการภาพสัดส่วนขนาดใหญ่

ตัวอย่างเช่นในการถ่ายภาพสัตว์ป่าช่างภาพมักจะต้องจับรายละเอียดของสัตว์ที่คมชัดโดยไม่ต้องเข้าใกล้พอที่จะรบกวนพวกเขา ในกรณีนี้การใช้เลนส์ยาวโฟกัสยาว (เช่น 600 มม. หรือนานกว่า) สามารถนำสัตว์ที่อยู่ใกล้ชิดเข้ามาใกล้เพื่อให้ได้ภาพส่วนใหญ่และรายละเอียดของขนของสัตว์ตาและคุณสมบัติอื่น ๆ จะแสดงอย่างชัดเจน

ในสถาปัตยกรรมของระบบออปติคัลมีความแตกต่างระหว่างความยาวโฟกัสของวัตถุ (ความยาวโฟกัสด้านหน้า f) และความยาวโฟกัสภาพ (F ') ความยาวโฟกัสของวัตถุคือระยะทางจากจุดวัตถุหลัก H ไปยังจุดโฟกัสของวัตถุ F. ความยาวโฟกัสของภาพคือระยะทางจากจุดภาพหลัก H 'ไปยังจุดโฟกัสของภาพ F' คุณสมบัติเชิงบวกและเชิงลบขึ้นอยู่กับทิศทางของจุดหลักไปยังจุดโฟกัสและทิศทางของการแพร่กระจายของแสงเหมือนกันถ้าทั้งสองเป็นทิศทางเดียวกันความยาวโฟกัสของบวก; มิฉะนั้นจะเป็นลบ เป็นที่น่าสังเกตว่าในกรณีของระบบที่มีตัวกลางเดียวกันทั้งสองด้านความยาวโฟกัสด้านภาพและความยาวโฟกัสด้านวัตถุแสดงคุณสมบัติของค่าที่เท่ากันและตรงข้ามในเครื่องหมายคือ f '= -f.

ค่ารูรับแสงสัมพัทธ์และหมายเลขรูรับแสง (หมายเลข F-number): ฮับการปรับสำหรับการส่องสว่างของภาพ

รูรับแสงสัมพัทธ์คืออัตราส่วนของเส้นผ่านศูนย์กลางของรูม่านตาต่อความยาวโฟกัส (d/f) ซึ่งส่วนใหญ่ส่งผลกระทบต่อความสว่างของระนาบภาพ ความสว่างของระนาบภาพของเลนส์ถ่ายภาพนั้นเป็นสัดส่วนกับสี่เหลี่ยมจัตุรัสของรูรับแสงสัมพัทธ์ ในฉากที่มีแสงน้อยเช่นการถ่ายภาพกลางคืนหรือเมื่อเวลาการเปิดรับแสงสั้นมากมีความจำเป็นในการจับภาพการเคลื่อนไหวความเร็วสูง (เช่นการกระทำที่สองวินาทีของนักกีฬาในการแข่งขันกีฬา) ความจำเป็นในการปรับปรุงความสว่างของภาพเป็นสิ่งสำคัญ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีรูรับแสงขนาดใหญ่ เลนส์มักจะใช้หมายเลขรูรับแสง F เพื่อระบุขนาดของรูรับแสงและหมายเลขรูรับแสง F คือการซึ่งกันและกันของรูรับแสงสัมพัทธ์เช่น F = F '/D

มุมมองและขนาดระนาบภาพ: การกำหนดองค์ประกอบของมุมมองการถ่ายภาพ

มุมมองของเลนส์เป็นตัวกำหนดขอบเขตของฉากที่กำลังถ่ายภาพ เนื่องจากระบบการถ่ายภาพมีแนวโน้มที่จะถ่ายภาพวัตถุที่อยู่ห่างออกไปโดยทั่วไประนาบภาพจะอยู่ใกล้กับระนาบโฟกัส ดังนั้นความสัมพันธ์ระหว่างขนาดระนาบภาพและสนามมุมมอง 2W 'สามารถแสดงเป็นสูตร: y' = f'tanw 'โดยที่ y' แสดงถึงรัศมีของพื้นที่ระนาบภาพ

ในสาขาของกล้องอุตสาหกรรมเซ็นเซอร์ CCD หรือ CMOS เป็นตัวรับภาพใบหน้าทั่วไปแบ่งออกเป็นอาร์เรย์ใบหน้าและอาเรย์เส้นสองประเภท ในพารามิเตอร์ของเลนส์ขนาดของเซ็นเซอร์มักจะใช้เพื่อระบุขนาดของฟิลด์มุมมอง

เซ็นเซอร์ต่อหน้าต่อหน้ามีพื้นที่ทำงานเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าขนาดซึ่งมักจะวัดในแง่ของความยาวเส้นทแยงมุม เซ็นเซอร์อาเรย์บรรทัดมีหน่วยพิกเซลที่จัดเรียงในแถวเดียวและข้อมูลจำเพาะของพวกเขาจะแสดงในแง่ของจำนวนและขนาดของหน่วยพิกเซล ข้อมูลจำเพาะของเซ็นเซอร์อาเรย์บรรทัดคือ 1K, 2K, 4K, 8K, 12K, ฯลฯ และหน่วยพิกเซลคือ 5 μm, 7 μm, 10 μm, 14 μmและอื่น ๆ

สำหรับเซ็นเซอร์เดียวกันเลนส์ความยาวโฟกัสยาวสอดคล้องกับมุมมองที่เล็กกว่านั้นสามารถอยู่ห่างจากฉากเพื่อถ่ายภาพที่ใหญ่ขึ้นดังนั้นในฉากการถ่ายภาพทางไกลจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเรียกว่าหัวกล้องโทรทรรศน์ เลนส์ความยาวโฟกัสสั้นมีมุมมองที่ใหญ่กว่าสามารถอยู่ใกล้กับฉากที่มีขนาดใหญ่ขึ้นในพื้นผิวของภาพดังนั้นจึงเรียกว่าเลนส์มุมกว้างในขณะที่มุมมองมีชื่อกว้างกว่าเป็นเลนส์ fisheye; ระหว่างสองในระหว่างนั้นความยาวโฟกัสจะเท่ากับความยาวในแนวทแยงของเลนส์คือเลนส์มาตรฐาน

ความยาวคลื่นการทำงาน: ช่วงสเปกตรัมที่เลนส์ทำงาน

เลนส์ออปติคัลได้รับการออกแบบมาสำหรับคลื่นแสงภายในช่วงความยาวคลื่นที่เฉพาะเจาะจง คลื่นแสงที่ปล่อยออกมาจากระนาบวัตถุสามารถผ่านเลนส์เพื่อสร้างภาพที่ชัดเจนบนระนาบภาพเฉพาะในกรณีที่อยู่ในช่วงความยาวคลื่นที่เลนส์ถูกปรับและการลดทอนพลังงานมีขนาดค่อนข้างเล็กในกระบวนการ ในด้านการสังเกตทางดาราศาสตร์แสงที่ปล่อยออกมาจากร่างกายท้องฟ้าที่แตกต่างกันครอบคลุมความยาวคลื่นที่หลากหลาย ตัวอย่างเช่นการสังเกตของดวงดาวต้องใช้เลนส์ออพติคอลที่สามารถปรับให้เข้ากับแสงที่มองเห็นได้และความยาวคลื่นอินฟราเรดใกล้ ๆ เนื่องจากดาวเปล่งประกายอย่างมากในช่วงความยาวคลื่นเหล่านี้ สำหรับการสังเกตของเนบิวลาบางอย่างเนื่องจากแสงที่ปล่อยออกมาอาจมีสายการปล่อยเฉพาะเช่นเส้นสเปกตรัมบางส่วนของไฮโดรเจนที่ความยาวคลื่นเฉพาะจำเป็นต้องมีความเชี่ยวชาญในช่วงความยาวคลื่นเหล่านี้ที่ออกแบบมาสำหรับเลนส์เพื่อจับสัญญาณแสงอ่อนของพวกเขา เพื่อให้ได้ภาพที่ชัดเจนเพื่อช่วยนักดาราศาสตร์ศึกษาโครงสร้างและองค์ประกอบของเนบิวลา แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นสามารถแบ่งออกเป็นแถบสเปกตรัมหลายแถบที่ครอบคลุมอัลตราไวโอเลตสุญญากาศอัลตราไวโอเลตที่มองเห็นได้อินฟราเรดและภูมิภาคอื่น ๆ

ความละเอียด: ผู้พิพากษาคุณภาพของภาพเลนส์

ความละเอียดเป็นหนึ่งในตัวชี้วัดที่สำคัญที่สุดของคุณภาพของเลนส์และถูกกำหนดให้เป็นจำนวนคู่ของแถบสีดำและสีขาวที่เลนส์สามารถแยกแยะได้ภายในหน่วยมิลลิเมตรของระนาบภาพ

ความละเอียดคือ 1/2 d โดยที่ d คือความกว้างของเส้น หน่วยความละเอียดคือ LP/MM (คู่คู่/มม.) ในระนาบโฟกัสของเลนส์การถ่ายภาพในอุดมคติระยะห่างที่สอดคล้องกันระหว่างสองแถบที่สามารถแก้ไขได้

ซึ่งกันและกันคือความละเอียดของเลนส์ในอุดมคติซึ่งคำนวณเป็น:

โดยที่λแสดงถึงความยาวคลื่นตรงกลางในมิลลิเมตร จะเห็นได้ว่าความละเอียดของเลนส์ในอุดมคติและรูรับแสงสัมพัทธ์มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับรูรับแสงสัมพัทธ์ยิ่งรูรับแสงที่สัมพันธ์กันมากเท่าไหร่ F/#ก็ยิ่งมีความละเอียดสูงขึ้นเท่านั้น

ในการพิมพ์หินเซมิคอนดักเตอร์มีข้อกำหนดที่สูงมากสำหรับความละเอียดของเลนส์ ในการสร้างโครงสร้างวงจรขนาดเล็กบนชิปจำเป็นต้องใช้เลนส์ออปติคัลความละเอียดสูงมาก ตัวอย่างเช่นในอุปกรณ์การพิมพ์หินขั้นสูงความละเอียดของเลนส์เพื่อให้สามารถแยกความแตกต่างของนาโนเมตรหรือเส้นเล็กและรูปแบบที่เล็กกว่าซึ่งต้องการเลนส์ในกระบวนการออกแบบและการผลิตเพื่อควบคุมความผิดปกติและปัจจัยอื่น ๆ อย่างเคร่งครัด ขนาดเล็กมากเพื่อให้ได้การถ่ายภาพที่มีความแม่นยำสูงเพื่อส่งเสริมความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีการผลิตชิป อย่างไรก็ตามควรสังเกตว่าสูตรนี้กำหนดเฉพาะความละเอียดของศูนย์กลางของมุมมอง ที่ขอบของมุมมองความละเอียดจะลดลงเนื่องจากมุมรูรับแสงของลำแสงการถ่ายภาพมีขนาดเล็กกว่าจุดบนแกน

ในเลนส์ถ่ายภาพจริงความละเอียดที่เกิดขึ้นจริงนั้นต่ำกว่าเลนส์ในอุดมคติมากเนื่องจากมีความผิดปกติที่ตกค้างขนาดใหญ่ ดังนั้นความละเอียดที่เกิดขึ้นจริงของเลนส์มักจะมีลักษณะโดยฟังก์ชั่นการถ่ายโอนมอดูเลต (MTF: ฟังก์ชั่นการถ่ายโอนการปรับ) ซึ่งกำหนดเป็นอัตราส่วนของความคมชัดของระนาบภาพต่อความคมชัดของระนาบวัตถุที่ความถี่เชิงพื้นที่เฉพาะ ซึ่งแสดงในแง่ของจำนวนคู่สายต่อมิลลิเมตร (LP/MM) สำหรับเลนส์ที่กำหนดค่า MTF จะแตกต่างกันไปตามความถี่เชิงพื้นที่ที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปเมื่อความถี่เชิงพื้นที่เพิ่มขึ้นค่า MTF จะค่อยๆลดลงจนกว่าจะมีแนวโน้มที่จะเป็นศูนย์และความถี่เชิงพื้นที่เมื่อ MTF เป็นศูนย์เรียกว่าความถี่ cutoff ของเลนส์

ในการใช้งานอุตสาหกรรมที่ใช้งานได้จริงเนื่องจากระบบใช้เซ็นเซอร์อาร์เรย์พื้นผิวหรือเซ็นเซอร์สายเป็นอุปกรณ์ถ่ายภาพความละเอียดของระบบจะถูก จำกัด ด้วยความละเอียดขององค์ประกอบภาพของเซ็นเซอร์การถ่ายภาพ ความละเอียดพิกเซลคำนวณเป็น NF-1/2P โดยที่ P คือขนาดของหน่วยพิกเซล ตัวอย่างเช่นเมื่อขนาดพิกเซลของ CCD คือ 5 x 5 ไมครอนความละเอียดของพิกเซลคือ

ความละเอียดพิกเซลของเซ็นเซอร์โดยพื้นฐาน จำกัด ความละเอียดสูงสุดของระบบแม้ว่าเลนส์จะมีความละเอียดสูง แต่ระบบก็ไม่สามารถแยกแยะรายละเอียดที่ดีเหนือความละเอียดพิกเซลได้ ดังนั้นในกระบวนการเลือกเลนส์จริงความละเอียดของเลนส์มักจะต้องสูงกว่าความละเอียดพิกเซลเล็กน้อยเพื่อให้แน่ใจว่าระบบสามารถเข้าถึงความละเอียดสูงสุดที่ จำกัด โดยเซ็นเซอร์