Объективы

Апертура

Апертура объектива определяет количество света, которое собирает линза; от этого зависит яркость изображения. Величина апертуры влияет на время выдержки, и, как следствие, на скорость затвора.

В таблицах ниже представлены максимальные размеры диафрагмы для каждого объектива от Thorlabs в f-единицах (f/#). Чем больше f, тем меньше света собирает линза.

Число f определяется из формулы    где f/# - единица измерения диафрагмы (f), f - фокусное расстояние d – диаметр входного зрачка.

В условиях низкой освещенности подойдут объективы, которые характеризуются малым числом f и, соответственно, короткой выдержкой. Такие объективы также называют «быстрыми». Рассмотрим, к примеру, два объектива с фокусным расстоянием 50 мм и диаметрами входных зрачков 1.4 мм и 2.5 мм: «быстрее» будет первый вариант (из-за большей апертуры). С увеличением размера диафрагмы растет количество света и уменьшается глубина резкости.

Влияние размера диафрагмы на качество изображения продемонстрированы в таблице ниже. Все кадры сняты с помощью камеры DCU224C 1/2" с объективом MVL12M43. Из таблицы видно, что количество света, собираемого линзой, в каждом опыте уменьшается примерно в два раза.

Фокусное расстояние

Фокусное расстояние (FL) – это расстояние от главной плоскости до фокальной плоскости. Для объектива камеры фокусное расстояние определяется через поле зрения; чем больше фокусное расстояние, тем меньше поле зрения. В качестве примера рассмотрим объектив с фокусным расстоянием 50 мм и 35 мм-камеру. Эта система имеет такое же поле зрения, что и человеческий глаз (диагональ 53 °). В приведенной ниже таблице указаны фокусные расстояния, необходимые для достижения такого же значения.

В зависимости от поля зрения объективы делятся на три группы. Объектив с фокусным расстоянием, примерно равным величине диагонали кадра, характеризуется полем зрения, близким человеческому. Такие объективы называются «нормальными».

У широкоугольных объективов фокусное расстояние короче обычного, при этом шире поле зрения. К их недостаткам можно отнести наличие перспективных искажений при съемке близкорасположенных объектов

Наконец, телеобъектив, фокусное расстояние которого значительно больше диагонали кадра. Так как такие объективы приближают объект съемки, их используют при съемке удаленных предметов, чтобы увеличить масштаб изображения.

Для иллюстрации этого эффекта приведено три изображения(справа), фиксированных одной и той же камерой с тремя различными объективами. По мере увеличения фокусного расстояния объектива происходит увеличение объектов на изображении, при этом поле зрения уменьшается. Расстояние между предметами на изображении не превышает 10'' (254 мм), они расположены в следующем порядке: фиксированное монолитное зеркальное крепление Polaris ™ (10” от камеры), стержень Ø1 / 2 "с зеркальным креплением KM100 (20" от камеры), и установочное крепление RSP1 (30 "от камеры). MVL4WA, используемый для съемки первого изображения, представляет собой широкоугольный объектив – можно проследить явное искажение дверной рамы в левом краю.
При больших значениях кроп-фактора матрица камеры переполняется. 

Сочетание камеры и объективов

При создании современных высокоточных камер используются технологии CCD и CMOS. Значения «1/2"», «2/3"», «4/3"» несут информацию о формате светочувствительной матрицы – такой способ обозначения остался от камер, основанных на электронно-лучевых трубках. Фактически за формат матрицы принимается размер ее диагонали, и чем больше формат, тем большим углом обзора может обладать камера при прочих равных условиях. Справа представлена иллюстрация разницы размеров регистрируемого изображения.

При работе с изображениями необходимо соблюдать некоторые требования – к примеру, формат объектива и диафрагмы камеры должен совпадать для точной передачи кадра, однако в некоторых случаях допустимо использование объектива с иными параметрами для виньетирования, либо с целью урезания изображения.

Виньетирование

Виньетирование – явление затемнения изображения по границам. Проявляется при использовании некоторых объективов в сочетании с камерами больших форматов: в этом случае свет не полностью покрывает область сенсора, и яркость к границам изображения снижается. Эффект виньетирования проиллюстрирован ниже; изображения сняты одной и той же 4/3-дюймовой камерой. Полное изображение (слева) снято с помощью 4/3-дюймового объектива с фокусным расстоянием 12 мм, по краям можно видеть легкое затемнение по краям. Более явно эффект виньетирования наблюдается при съемке через объектив формата 2/3” с тем же фокусным расстоянием.

Кроппинг

Кроппинг – эффект, возникающий при сочетании камеры с объективом большего формата. При этом явлении кадр урезается или «кроппируется», так как датчик регистрирует лишь ту часть изображения, которую вмещает матрица камеры. Кроп-фактор или множитель фокусного расстояния определяет коэффициент урезания – соотношение между длиной диагонали объектива и диагональю матрицы камеры. Все кроп-факторы для разных сочетаний объектива и камеры представлены в таблице справа.

Урезание изображения происходит как при съемке на камеру с объективом большего фокусного расстояния, (т.е меньшего поля зрения) только изображение при этом не увеличивается. Коэффициент урезания кадра можно определить, умножив кроп-фактор на фокусное расстояние объектива. Например, при съемке на ½-дюймовую камеру с объективом формата 1 " и фокусным расстоянием 50 мм получится такое изображение, как при съемке с объективом, фокусное расстояние которого составляло бы 100 мм; но с одним отличием: увеличения предметов на изображении не происходит. В таблице справа приведено сопоставление объективов с фокусным расстоянием, соответствующим типу сенсора.

Ниже этот эффект проиллюстрирован наглядно. Для сравнения предлагается два изображения, снятые камерами формата 1/2 "и 1/3" с одним и тем же объективом. Изображение, сделанное с малоформатной камеры обрезано по сравнению с изображением, снятым на камеру формата 1/2". Обратите внимание, однако, что объекты на обоих изображениях в одном масштабе.

Одной из характеристик объективов для систем машинного зрения от Thorlabs является диапазон расстояния до объекта. Изображения предметов, расположенных в пределах рабочего диапазона, передаются на датчик C-Mount камеры. Как видно из иллюстраций ниже, добавление одного или нескольких удлинительных колец C-mount между камерой и объективом меняет рабочий диапазон, таким образом позволяя системе фокусироваться на объектах, расположенных ближе к объективу. Увеличение масштаба изображения на камере сопровождается уменьшением глубины резкости. В следующей таблице представлен диапазон рабочих расстояний в зависимости от сочетаний удлинительных колец C-Mount и объективов машинного зрения.

Обратите внимание, что объективы камер Thorlabs предназначены для коррекции оптических аберраций с заданным диапазоном расстояний между объектами. Изменение рабочего диапазона может спровоцировать усиление аберраций.

Кадры вращательного держателя оптики RSP1X15 отсняты научной камерой 4070M-GE с объективом MVL25M43 на разных расстояниях. Удлинительная трубка 20 мм создана из колец CML05 и CML15.

© Thorlabs Inc.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ