Ваш браузер устарел. Он имеет уязвимости в безопасности и может не показывать все возможности на этом и других сайтах. Узнайте, как обновить Ваш браузер.

OK

Даже мельчайшие детали будут в фокусе: как подобрать объектив для камеры

Чтобы получить качественное, резкое изображение, потребуется не только хорошая камера, но и подходящий объектив для нее. С самого начала очевидно: выбор предлагаемых объективов буквально бесконечен. Компактные цифровые камеры обычно оснащаются встроенным объективом. Для зеркальных камер предлагаются сменные объективы, с помощью которых можно получить наилучшие возможные снимки в самых различных ситуациях. Объективы не только различаются разрешающей способностью, углом поля зрения и размерами, но и конструкцией. В случае выбора объектива для камеры для системы машинного зрения также необходимо разобраться в этих характеристиках. В этой статье поясняется, как выбрать подходящий объектив под определенные условия съемки.

Какие типы объективов существуют?

Прежде чем мы расскажем, какие критерии следует учитывать при выборе объектива, сначала рассмотрим какие типы объективов существуют. В целом объективы подразделяются на энтоцентрические (стандартные) и телецентрические, а также широкоугольные и объективы «рыбий глаз». Кроме того, существуют специальные объективы для съемки в ближнем инфракрасном диапазоне.

В данной статье речь пойдет преимущественно о стандартных объективах, поскольку именно они чаще всего применяются в системах машинного зрения. Обычные энтоцентрические объективы характеризуются фиксированным апертурным углом – как на стороне линзы, так и на стороне сенсора. Апертурный угол аналогичен зрачку человеческого глаза. Удаленные объекты кажутся меньшими по размеру, тогда как приближенные – более крупными. Человеческий глаз – самый распространенный энтоцентрический объектив.

Какие типы объективов существуют?

Какие факторы следует учитывать при выборе объектива?

1. Размер сенсора и поле изображения

Размер сенсора играет решающую роль в выборе подходящего объектива. Матричные и линейные камеры высокого разрешения оснащаются сенсорами более крупного размера, чем камеры меньшего разрешения. Размеры (форматы) сенсоров не регулируются ни одним стандартом и определяются разрешением и размером пикселей. Теоретически возможно изготовить сенсор любого размера – это только вопрос цены.

Формат сенсора выражается в дюймах и соответствует диагонали сенсора, где 1 дюйм, однако, составляет 16 мм, а не 25,4 мм. Это обусловлено историческими причинами.

Различные форматы сенсоров
Различные форматы сенсоров

1.1 Крепление

Крепление
By Hustvedt (Own work) [GFDL or CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

Соединение между корпусом камеры и объектива называется креплением. Крепления соответствуют определенному стандарту и маркируются по типу резьбового соединения на стороне камеры.

Крепление стандарта C-Mount – наиболее распространенный тип крепления объективов, используемых в системах машинного зрения. Он совместим с сенсорами диагональю около 20 мм, что соответствует 1,5 дюймам. В случае более крупных сенсоров обычно используется крепление стандарта F-Mount (или байонет типа F), однако такое крепление редко используется в промышленных оптических системах, где чаще применяются объективы с креплением стандарта CS-Mount или S-Mount, которые совместимы с сенсорами малых форматов. Объективы с креплением S-Mount предназначены для работы с сенсорами формата 1/2″, 1/3″ и менее. Для установки объектива с креплением C-Mount на камеру с резьбой CS-Mount, необходимо переходное кольцо 5 мм. Обратите внимание, что наоборот сделать нельзя: объектив с креплением CS-Mount невозможно установить на камеру с резьбой стандарта C-Mount.

1.2 Диаметр поля изображения

Использование объектива с креплением, соответствующим формату сенсора, только условно влияет на поле изображения. Термин «поле изображения» означает площадь сенсора, на которую падает свет, проходящий через объектив, без затемнения краев изображения, или так называемого «виньетирования».

Аналогично формату сенсора, диаметр поля изображения выражается в дюймах. В идеале объектив 1/3″ с креплением C-Mount следует устанавливать на камеру с сенсором формата 1/3″. В этом случае достигается оптимальное использование поля изображения. Если тот же объектив установить на камеру с сенсором формата 1/2″, то возникнет виньетирование.

Если же взять объектив 2/3″ с таким же фокусным расстоянием и сенсор 1/3″, то проблема виньетирования не возникнет – изменится только угол поля зрения. В принципе, это даже будет преимуществом, так как при выборе объектива большего формата создается большее поле изображения, а это означает, что изображение останется четким по всей площади от центра до границ.

Однако в этом случае значительная часть поля изображения не используется, а это означает переплаченные за объектив деньги. В данном случае формат объектива не играет роли, поскольку размер изображения определяется форматом сенсора. Чем больше формат объектива, тем он дороже, поэтому при использовании сенсора малого формата рекомендуется выбирать подходящий под него объектив.

1.2 Диаметр поля изображения

Диаметр поля изображения должен соответствовать формату сенсора или превышать его!

2. Разрешение и размеры пикселя

Разрешение и размеры пикселя

Изображение в высоком разрешении можно получить только в том случае, если используется объектив высокого разрешения.

Для того чтобы получить действительно качественное изображение в высоком разрешении, необходимо больше, чем просто огромное количество мегапикселей. Объектив должен обладать достаточной разрешающей способностью, соответствующей размерам пикселя. Разрешающая способность объектива указывается в парах линий на миллиметр и определяет, сколько линий можно четко различить в одном миллиметре. Чем больше пар линий различимо, тем выше разрешающая способность объектива.

Разрешающая способность объектива от центра к границе изображения описывается кривой модуляционной передаточной функции (МПФ). Информацию о кривых МПФ можно запросить у производителя объектива. Основой для расчета кривой МПФ является тестовая диаграмма с черными и белыми линиями, ширина которых постепенно уменьшается, поэтому максимальное разрешение выражается в пл/мм.

Зная разрешающую способность объектива, можно определить, какого размера должны быть пиксели, чтобы они были четко различимы на изображении. В большинстве случаев для объектива непосредственно указывается разрешающая способность в мегапикселях.

Если используется сенсор с разрешением 5 Мп, то есть на изображении содержится 5 миллионов точек, то потребуется объектив, способный четко передать все 5 миллионов точек, то есть с разрешающей способностью 5 Мп.

Разрешающая способность объектива выражается в парах линий на миллиметр (пл/мм).
Разрешающая способность объектива выражается в парах линий на миллиметр (пл/мм).
Типичная тестовая диаграмма разрешения
Типичная тестовая диаграмма разрешения

Разрешение объектива должно соответствовать размеру пикселя.

Экскурс. Мегапиксели

Многие производители потребительских камер и смартфонов в рекламе своих устройств особенно хвалят большое число мегапикселей. У потребителя создается впечатление, что чем больше мегапикселей, тем выше разрешение изображения. Однако огромное число мегапикселей на самом деле не показатель, если используется неподходящий объектив. Объективы высокого качества дорого стоят, поэтому многие производители здесь пытаются сэкономить на расходах. Например, изображения, получаемые смартфоном с разрешением камеры 20 Мп, будут выглядеть размытыми – сенсор с таким большим числом пикселей только усиливает размытие. Однако с помощью компактной камеры с разрешением 5 Мп и высококачественным объективом можно получать гораздо более четкие изображения, несмотря на то, что у нее якобы меньше разрешение.

В промышленной обработке изображений обычно используются сенсоры с разрешением от VGA (0,3 Мп) до 5 Мп. Выбирать более высокое разрешение бессмысленно, по крайней мере в случае камер с креплением C-Mount, поскольку размеры отдельного пикселя будут слишком малы, а значит уровень шума будет слишком велик для выполнения сложных задач, таких как высокоточные измерения или контроль качества.

3. Взаимосвязь между фокусным расстоянием и форматом сенсора

Фокусным расстоянием называется расстояние между оптическим центром объектива и точкой фокусировки. Все проходящие лучи света, параллельные оптической оси, пересекаются в точке фокусировки. Таким образом, фокусное расстояние f объектива зависит от преломляющей способности установленных в нем линз и выражается в миллиметрах.

Чем больше фокусное расстояние, тем выше увеличительные характеристики объектива. Фокусное расстояние огромных объективов, которые обычно используют спортивные фотографы и папарацци, больше по сравнению с объективами потребительских камер. Фокусное расстояние широкоугольных объективов и объективов «рыбий глаз», соответственно, меньше.

Фокусное расстояние определяется шириной сенсора, шириной объектива и рабочим расстоянием. Большинство поставщиков объективов предлагают на своих веб-сайтах калькуляторы, с помощью которых можно рассчитать фокусное расстояние.

Взаимосвязь между фокусным расстоянием и форматом сенсора
Примеры изображений, снятых объективами с различным фокусным расстоянием Примеры изображений, снятых объективами с различным фокусным расстоянием

Фокусное расстояние должно соответствовать формату сенсора и архитектуре системы.

4. Диафрагма и освещенность

Выбор значения диафрагмы объектива непосредственно влияет на качество и яркость изображения. Число F (или деление диафрагмы) представляет собой отношение фокусного расстояния к диаметру отверстия объектива и определяет, насколько раскрыта диафрагма.

Высокое число F означает, что диафрагма раскрыта мало, то есть на сенсор попадает мало света. Если диафрагма широко раскрыта, то на сенсор попадает больше света, а значит, для получения качественного изображения потребуется меньше дополнительных источников света.

Следовательно, в условиях недостаточной освещенности съемку следует вести с широко раскрытой диафрагмой.

Малое раскрытие диафрагмы имеет свои преимущества и недостатки. При малом раскрытии диафрагмы уменьшаются нежелательные явления, такие как виньетирование и другие аберрации, и увеличивается глубина резкости. Однако не следует увлекаться. При слишком малом раскрытии диафрагмы возникает дифракционное размытие изображения. В этом случае падающий свет отклоняется на границе диафрагмы, что отрицательно сказывается сказывается на качестве изображения.

Таким образом, для каждого объектива существует оптимальное значение диафрагмы, которое по сути представляет собой компромисс между наименьшим дифракционным размытием и наибольшей глубиной резкости.

Диафрагма и освещенность
Малое значение диафрагмы означает увеличение глубины резкости, однако может привести к «замыливанию» изображения в результате дифракционного размытия. Следовательно, необходимо найти оптимальное значение. Малое значение диафрагмы означает увеличение глубины резкости, однако может привести к «замыливанию» изображения в результате дифракционного размытия. Следовательно, необходимо найти оптимальное значение.

Значение диафрагмы должно соответствовать уровню освещенности объекта съемки.

Контрольный список

Если вы поняли все вышеизложенное, то пришла пора задать себе следующие вопросы:

  • Крепление объектива. Крепление объектива совпадает с креплением камеры (например, C-Mount)?
  • Разрешение. Разрешающая способность объектива соответствует разрешению сенсора?

  • Фокусное расстояние. Фокусное расстояние соответствует формату сенсора и архитектуре системы?
  • Поле изображения. Диаметр поля изображения объектива соответствует формату сенсора?
  • Диафрагма. Значение диафрагмы соответствует преобладающему уровню освещенности в месте съемки?

Вы ответили на все вопросы в контрольного списка «Да»?

Поздравляем! Вы подобрали подходящий объектив для вашей камеры и системы машинного зрения!