Beim Objektivdesign gibt es viele wichtige Merkmale, einschließlich Objektivauflösung, Objektivverzerrung und Gleichmäßigkeit der Beleuchtung, die sich direkt auf die Leistung des Bildverarbeitungssystems auswirken.

Die in Bildverarbeitungssystemen verwendeten Kameras, Objektive und Beleuchtung leisten alle einen wichtigen Beitrag zur Gesamtbildqualität. Die rasante Entwicklung der CMOS-Bildsensortechnologie in den letzten Jahren hat Objektivhersteller vor große Herausforderungen gestellt. Immer höhere Sensorauflösung bedeutet, dass viele Sensoren jetzt kleinere Pixel haben und Objektive mit höherer Auflösung erfordern. Andererseits verwendet ein hochauflösender Sensor, der eine größere Pixelgröße für eine höhere Empfindlichkeit beibehält, normalerweise ein größeres Format und erfordert daher ein hochauflösendes Objektiv mit einem größeren Format. Darüber hinaus werden viele Anwendungen, die Objektive mit sehr langer Brennweite erfordern, wie z. B. Überwachung, Sport, Luftaufnahmen und Fotografie auf Vergnügungsparks in Themenparks, zunehmend in die Kategorie der maschinellen Bildverarbeitung aufgenommen und müssen angegangen werden.

（1）Weitere Informationen zur Objektivleistung – Modulationsübertragungsfunktion (MTF)

Das ideale Objektiv erzeugt ein Bild, das perfekt zu einem Objekt passt, einschließlich aller Details und Helligkeitsänderungen. In der Praxis ist dies keineswegs vollständig möglich, da das Objektiv als Tiefpassfilter wirkt. Unter Berücksichtigung aller Belüftungen lässt sich die Abbildungsqualität des Objektivs quantitativ durch seine Modulationsübertragungsfunktion beschreiben. MTF wird durch die Fähigkeit des Objektivs definiert, Linien (Gitter) mit unterschiedlichen Abständen (wire-to-space frequency/mm) wiederzugeben. Je mehr Adernpaare/mm unterschieden werden können, desto besser ist die Auflösung des Objektivs. Das MTF-Diagramm für jede Ortsfrequenz zeigt den durch das Objektiv verursachten Kontrastverlust (Abbildung 1). Große Strukturen wie grobe Abstandslinien werden in der Regel relativ kontrastreich übertragen. Kleinere Strukturen, wie z. B. dünn gestaffelte Linien, werden kontrastarm übertragen. Der Grad der Dämpfung einer bestimmten Frequenz oder eines bestimmten Details wird durch MTF klassifiziert, die die Übertragungseffizienz des Objektivs angibt. Für jedes Objektiv gibt es einen Modulationspunkt von Null. Diese Grenze wird oft als Auflösungsgrenze bezeichnet, typischerweise angegeben in lp/mm von Linienpaaren pro Millimeter oder in Bezug auf einige Makroobjektive in der kleinsten Liniengröße (in sm), die der minimalen Pixelgröße entspricht, die für die erforderlich ist Linse. Geeignet. Die Bewegung der MTF von der mittleren axialen Kante der Linse verschlechtert sich, was eine wichtige Überlegung ist, wenn das gesamte Bild eine symmetrische Auflösung erfordert. Da die MTF wie die Streuung auch je nach Richtung der Linie an einem Punkt auf dem Objektiv variieren kann und auch eine Funktion der Blendeneinstellung beim Messen ist, muss beim Vergleich der Objektivleistung vorsichtig vorgegangen werden.

Tipp: Um die Sensorauflösung zu erhöhen und gleichzeitig die Sensorgröße beizubehalten, um die Kosten zu senken, sind Objektive mit höheren MTFs erforderlich, um diese kleineren Pixel zu unterscheiden. Die Systemkosten sollten immer berücksichtigt werden, da kleinere Pixelgrößen zu geringeren Kosten Objektive mit höherer Auflösung erfordern.

（2） Linsenverzerrung

Neben Auflösungsänderungen unterliegen alle Objektive auch bestimmten räumlichen Verzerrungen. Abbildung 2 zeigt, wie das Bild auf nichtlineare Weise gedehnt oder gestaucht werden kann, wodurch eine genaue Messung des gesamten Sensors sehr schwierig wird. Obwohl es einige Softwaremethoden gibt, die dieses Problem lösen können, können sie die physische Tiefe des Objekts nicht berücksichtigen, daher ist es besser, ein qualitativ hochwertiges Objektiv mit geringer Verzerrung zu wählen, anstatt zu versuchen, diese Fehler in der Software zu korrigieren. In der Regel weist ein Objektiv mit kürzerer Brennweite eine stärkere Verzerrung auf als ein Objektiv mit längerer Brennweite, da das Licht aus einem größeren Winkel auf den Sensor trifft. Die Verwendung komplexerer Linsendesigns kann eine geringe Verzerrung aufrechterhalten, und viele Linsenhersteller haben hart an ihren optischen Designs gearbeitet, um es ihnen zu ermöglichen, die räumliche Verzerrung auf die Größenordnung von 0 zu reduzieren.

Tipp: Um Verzerrungen möglichst kostengünstig zu minimieren, liefert ein größerer Arbeitsabstand die besten Ergebnisse.

3) Gleichmäßigkeit der Beleuchtung

Alle Bilder des Objektivs weisen eine Vignettierung auf, d. h. die Lichtintensität von der Bildmitte zum Bildrand wird reduziert, was die Anwendbarkeit des Objektivs beeinträchtigen kann. Linsenschattierung ist die Abschattung des Bildrandes, da der Strahl mechanisch blockiert wird (normalerweise durch den Linsenhalter blockiert). Dies tritt hauptsächlich auf, wenn der Bildkreis (oder das Format) des Objektivs zu klein für die Größe des Sensors ist. Alle Objektive sind von der „Cos4-Vignettierung“ betroffen, das liegt daran, dass das Licht einen längeren Weg zurücklegen muss, um den Bildrand zu erreichen und in einem flachen Winkel auf den Sensor trifft. Wenn der Winkel Licht auf den unempfindlichen Teil des Sensors fokussiert, befindet sich auf jedem Pixel eine Linse mit einer Mikrolinse. Er kann auch minimiert werden, wenn das Objektiv um zwei fs angehalten wird. Durch die Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Beleuchtung über den Sensor,

4) Umweltauswirkungen

Viele Bildverarbeitungssysteme werden in Produktionsumgebungen eingesetzt und sind daher einer Vielzahl von Umwelteinflüssen ausgesetzt, von Schmutz, Feuchtigkeit und Temperatur bis hin zu mechanischen und elektromagnetischen Einwirkungen. Es gibt viele Schutzabdeckungen, die das Eindringen von Staub und Feuchtigkeit verhindern. Die mechanische Stabilität der Linsenbaugruppe ist wesentlich, um Unschärfen zu vermeiden und zuverlässige und wiederholbare Messungen zu gewährleisten. Die meisten Objektive, die in Bildverarbeitungsanwendungen verwendet werden, werden mit Metallgehäusen und Fokussiermechanismen hergestellt, um die Stabilität des Objektivs zu gewährleisten. Viele Objektive bieten außerdem Stoß- und Vibrationsfestigkeit, wodurch sie für die rauesten Umgebungen geeignet sind. Linsenhersteller haben eine Reihe von Designs vorgeschlagen, Einige davon wurden patentiert, um die Bildverschiebung zu begrenzen, die durch die Bewegung des Linsenglases aufgrund von Vibrationen und Stößen verursacht wird. Dazu gehören die Verwendung von Feststellschrauben, um die Bewegung des Fokus und der Blende zu verhindern, sogar die Bewegung einer festen Blende, und die Verbindung aller Elemente im Objektivkörper.

5) Objektivschnittstelle

Die Befestigung des Objektivs an der Kamera wird durch die Verwendung verschiedener Standard-Objektivschnittstellen erreicht. Das am häufigsten in Bildverarbeitungsanwendungen verwendete ist C-Mount, das von einer Vielzahl von Objektiven und Zubehör profitieren kann, einschließlich der Fähigkeit, computergesteuerte Blende und Fokus bereitzustellen. Die CS-Fassung wird nicht häufig verwendet und ist im Grunde die gleiche wie die C-Mount-Fassung, aber die Flanschbrennweite ist um 5 mm verkürzt. Kleinere Objektivhalterungssysteme (z. B. S-Mount) werden normalerweise für Platinenkameras und Miniaturkameras verwendet. Diese Objektive erlauben nur minimale Anpassungen. Für großformatige Sensoren und Zeilenscan-Anwendungen können größere F-Mount-Systeme verwendet werden, obwohl zunehmend leistungsstärkere M42-Mounts (manchmal auch als T-Mounts bezeichnet) verwendet werden. Das Großformatobjektiv unterstützt jedoch nicht die Möglichkeit, Blende und Fokus automatisch zu steuern. Teleobjektive werden auch in der Bildverarbeitung verwendet, mit der längsten Brennweite bis zu 600 mm. Diese Großformatobjektive wurden hauptsächlich für professionelle Fotografen entwickelt. Sie umfassen auch motorisierte Blenden und Zooms und erfordern spezielle EF-Objektivfassungen. Derzeit werden immer mehr Bildverarbeitungskameras mit EF-Montagefunktionen und EF-Objektiven hergestellt, und ihre neuartigen optischen Funktionen werden dem breiteren Bildverarbeitungsmarkt durch die kürzlich geschlossene Direktvertriebsvereinbarung zur Verfügung gestellt.

6）So wählen Sie ein Objektiv aus

Bei so vielen Optionen für Bildverarbeitungsobjektive ist die Auswahl des besten Objektivs für eine bestimmte Anwendung nicht einfach. Es ist also wichtig, das System als Ganzes zu betrachten. Beispielsweise verwenden viele moderne Megapixel-Kameras kleine Sensorgrößen, um die Kosten zu senken, aber die resultierenden kleinen Pixelgrößen erfordern eine höhere Qualität und daher teurere Optiken. Für einige Anwendungen kann es vorteilhaft sein, eine teurere Kamera mit mehr Pixeln und geringeren optischen Anforderungen zu wählen, wodurch die Kosten des gesamten Systems gesenkt werden. Die Zusammenarbeit mit erfahrenen Anbietern von Bildverarbeitungstechnologien kann Risiken bei diesen Entscheidungen mindern.

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