Giới thiệu: Bảng thông số ống kính không chỉ là một bảng số

Khi các kỹ sư chọn ống kính máy ảnh, bước đầu tiên thường đơn giản:

Mở bảng thông số kỹ thuật.

Sau đó đến phần khó khăn.

Một bảng dữ liệu ống kính điển hình có thể bao gồm:

• EFL
• Số F
• FOV
• ĐĐNCĐ
• Biến dạng
• CRA
• TTL
• Định dạng cảm biến
• Chiếu sáng tương đối

Đối với các kỹ sư quang học có kinh nghiệm, những con số này kể cả một câu chuyện.

Đối với người mới bắt đầu, chúng có thể trông giống như một ngôn ngữ nước ngoài.

Thách thức không phải là tìm được một ống kính có thông số kỹ thuật “tốt nhất”.

Thách thức là sự hiểu biết:

Những thông số quang học nào thực sự quan trọng đối với ứng dụng của bạn?

Camera giám sát, robot tự động, máy bay không người lái, thiết bị y tế và hệ thống thị giác công nghiệp đều sử dụng ống kính nhưng chúng yêu cầu các đặc tính quang học hoàn toàn khác nhau.

Hướng dẫn này giải thích các thông số kỹ thuật ống kính máy ảnh cần thiết mà các kỹ sư cần hiểu trước khi lựa chọn.

1. Tiêu cự (EFL): Nền tảng của phối cảnh ống kính

Độ dài tiêu cự là gì?

Độ dài tiêu cự hiệu dụng (EFL) là một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất của ống kính máy ảnh.

Nó xác định:

• phóng đại
• Góc nhìn
• Quan hệ phối cảnh giữa các đối tượng

Đơn giản là:

Tiêu cự ngắn = tầm nhìn rộng hơn
Tiêu cự dài = tầm nhìn hẹp hơn

Ví dụ phổ biến

Ống kính góc rộng

Tiêu cự điển hình:

• 1,8mm
• 2,8mm
• 3,6mm

Ứng dụng:

• Camera an ninh
• Thiết bị nhà thông minh
• Người máy
• Giám sát đỗ xe

Thuận lợi:

• Vùng phủ sóng lớn
• Nhận thức về môi trường tốt hơn

Hạn chế:

• Độ méo cao hơn
• Giảm kích thước đối tượng ở khoảng cách xa

Ống kính tele

Tiêu cự điển hình:

• 12 mm
• 25mm
• 50mm+

Ứng dụng:

• Giám sát giao thông
• Kiểm tra đường dài
• Đo lường công nghiệp

Thuận lợi:

• Ghi lại các chi tiết ở xa

Hạn chế:

• Trường nhìn hẹp

2. Trường nhìn (FOV): Camera có thể nhìn thấy bao nhiêu?

Trường nhìn mô tả vùng nhìn thấy được chụp bởi ống kính.

Nó thường được thể hiện như sau:

• FOV ngang
• FOV dọc
• FOV chéo

Tại sao FOV lại quan trọng

Chọn sai FOV sẽ gây ra nhiều vấn đề tốn kém.

Quá hẹp:

• Nhiều điểm mù hơn
• Cần thêm camera
• Chi phí lắp đặt cao hơn

Quá rộng:

• Biến dạng quá mức
• Giảm độ chính xác nhận dạng

Quá trình lựa chọn ống kính chuyên nghiệp luôn cân nhắc:

• Khoảng cách mục tiêu
• Khu vực phát hiện
• Kích thước đối tượng
• Yêu cầu công nhận

3. Khẩu độ (số F): Khả năng thu ánh sáng của ống kính

Khẩu độ là một trong những thông số kỹ thuật bị hiểu lầm nhiều nhất.

Số F biểu thị tỷ lệ giữa:

• Tiêu cự của thấu kính
• Đường kính đồng tử vào

Số F càng nhỏ:

→ Khẩu độ càng lớn
→ Càng nhiều ánh sáng đi vào ống kính

Giá trị khẩu độ chung

Tại sao khẩu độ lại quan trọng

Môi trường ánh sáng yếu tạo ra những thách thức:

• Tăng tiếng ồn cảm biến
• Thời gian phơi sáng lâu hơn
• Chuyển động mờ

Khẩu độ lớn hơn giúp cung cấp nhiều thông tin quang học hơn trước khi khuếch đại điện tử.

Đây là lý do tại sao các ứng dụng hiệu suất cao ngày càng tập trung vào ống kính khẩu độ lớn.

4. Khả năng tương thích của cảm biến: Ống kính và cảm biến phải hoạt động cùng nhau

Một lỗi phổ biến mà các kỹ sư mắc phải là chỉ chọn ống kính dựa trên tiêu cự.

Ống kính cũng phải phù hợp với định dạng cảm biến.

Kích thước cảm biến phổ biến bao gồm:

• 1/4"
• 1/3"
• 1/2.7"
• 1/2"
• 1/1.8"
• 1/1.2"

Điều gì xảy ra khi chúng không khớp?

Vòng tròn hình ảnh ống kính quá nhỏ

Kết quả:

• Góc tối
• Họa tiết
• Pixel bị mất

Ống kính được thiết kế cho cảm biến nhỏ hơn được sử dụng trên cảm biến lớn hơn

Kết quả:

• Giảm chất lượng hình ảnh
• Hiệu suất cạnh kém

Kết hợp quang học chuyên nghiệp đòi hỏi phải xem xét:

• Đường chéo cảm biến
• Kích thước pixel
• Góc tia chính
• Vòng tròn hình ảnh

5. Độ méo: Sự khác biệt giữa Rộng và Có thể sử dụng

Sự biến dạng mô tả mức độ các đường thẳng bị cong trong một hình ảnh.

Loại phổ biến nhất:

Biến dạng thùng

Điển hình ở:

• Ống kính góc rộng
• Ống kính mắt cá
  
  

Sự biến dạng không phải lúc nào cũng xấu.

Ví dụ:

Ống kính máy bay không người lái FPV thường cố tình sử dụng độ méo góc rộng mạnh để tạo ra tầm nhìn chân thực.

Tuy nhiên:

Các ứng dụng như:

• Hệ thống đo lường
• Nhận dạng biển số xe
• Thị giác máy

yêu cầu kiểm soát biến dạng tốt hơn.

Điều quan trọng là không loại bỏ hoàn toàn sự biến dạng.

Điều quan trọng là kiểm soát độ méo theo nhu cầu ứng dụng.

6. MTF: Đo hiệu suất quang học thực tế

MTF (Chức năng truyền điều chế) là một trong những phương pháp đánh giá quang học quan trọng nhất.

Nó mô tả mức độ ống kính chuyển độ tương phản từ vật thể sang hình ảnh tốt như thế nào.

Đơn giản là:

MTF cao hơn = Khả năng tái tạo chi tiết tốt hơn.

Tại sao MTF lại quan trọng

Hai thấu kính có thể có:

• Cùng tiêu cự
• Cùng khẩu độ
• Đánh giá độ phân giải tương tự

Nhưng chất lượng hình ảnh hoàn toàn khác.

Tại sao?

Bởi vì hiệu suất quang học phụ thuộc vào:

• Chất lượng kính
• Cấu trúc ống kính
• Công nghệ phủ
• Độ chính xác sản xuất

MTF tiết lộ khả năng quang học thực sự.

7. CRA (Góc tia chính): Quan trọng đối với các cảm biến hiện đại

CRA mô tả góc của tia sáng tới tới cảm biến.

Cảm biến CMOS hiện đại rất nhạy cảm với CRA.

Kết hợp CRA không chính xác có thể gây ra:

• Màu bóng
• Giảm độ sáng
• Suy thoái hình ảnh

Thông số này đặc biệt quan trọng đối với:

• Camera ô tô
• Thị giác máy
• Cảm biến độ phân giải cao

8. Thông số thiết kế cơ khí và TTL

Hiệu suất quang học không phải là yếu tố duy nhất được xem xét.

Các kỹ sư cũng phải xem xét khả năng tương thích cơ học.

Các thông số quan trọng bao gồm:

TTL (Tổng chiều dài bản nhạc)

Khoảng cách quang học từ bề mặt thấu kính đầu tiên đến mặt phẳng ảnh.

Quan trọng đối với:

• Thiết kế mô-đun máy ảnh
• Ứng dụng giới hạn không gian

Loại gắn kết

Các giao diện chung:

• Giá đỡ M12
• Gắn kết CS
• gắn kết C
• Ngàm F
• Gắn kết tùy chỉnh

Giá đỡ xác định sự tích hợp cơ học.

9. Độ sáng tương đối: Chất lượng hình ảnh trên toàn khung hình

Độ chiếu sáng tương đối mô tả độ sáng nhất quán từ trung tâm đến rìa.

Chiếu sáng tương đối kém gây ra:

• Góc tối
• Độ sáng hình ảnh không đồng đều

Điều này đặc biệt quan trọng đối với:

• Ống kính góc rộng
• Camera giám sát
• Hệ thống thị giác AI

Một ống kính tốt sẽ duy trì độ sáng nhất quán trên toàn bộ hình ảnh.

10. Sai lầm phổ biến nhất: Chọn thông số kỹ thuật thay vì giải pháp

Một trong những sai lầm lớn nhất mà các kỹ sư mắc phải là chỉ so sánh các thấu kính bằng những con số.

Ví dụ:

“Ống kính A có độ phân giải cao hơn nên chắc chắn phải tốt hơn.”

Không nhất thiết phải như vậy.

Lựa chọn ống kính thành công sẽ xem xét hệ thống hoàn chỉnh:

• cảm biến
• Môi trường chiếu sáng
• Khoảng cách làm việc
• Yêu cầu về AI
• Khả năng xử lý hình ảnh

Ống kính tốt nhất không phải là ống kính có thông số kỹ thuật cao nhất.

Nó là một trong những tối ưu hóa cho ứng dụng.

Kỹ sư nên đánh giá ống kính máy ảnh như thế nào

Trước khi chọn ống kính, hãy hỏi:

Câu hỏi ứng dụng

• Những đối tượng nào cần được phát hiện?
• Khoảng cách làm việc là gì?
• Những điều kiện ánh sáng tồn tại?
• Thông tin màu sắc có quan trọng không?
• Phân tích AI có liên quan không?

Câu hỏi quang học

• FOV có đủ không?
• Khẩu độ có đủ lớn không?
• Cảm biến có phù hợp không?
• Sự biến dạng có được chấp nhận không?
• Hiệu suất cạnh có quan trọng không?

Câu hỏi hệ thống

• Kích thước có bị giới hạn không?
• Có cần ổn định nhiệt độ không?
• Độ tin cậy lâu dài có quan trọng không?

Kết luận: Hiểu các thông số kỹ thuật của ống kính sẽ tạo ra hệ thống hình ảnh tốt hơn

Thông số ống kính máy ảnh không chỉ là những con số kỹ thuật.

Chúng đại diện cho các quyết định quang học ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hệ thống.

Một ống kính được lựa chọn tốt có thể cải thiện:

• Chất lượng hình ảnh
• Độ chính xác của AI
• Độ tin cậy của hệ thống
• Khả năng cạnh tranh của sản phẩm

Một ống kính được lựa chọn kém có thể hạn chế ngay cả máy ảnh và thuật toán tiên tiến nhất.

Trong các hệ thống hình ảnh hiện đại, các kỹ sư không chỉ đơn giản chọn một tấm kính.

Họ đang lựa chọn nền tảng của trí thông minh thị giác.

Cái nhìn sâu sắc cuối cùng

Một cảm biến chụp pixel.

Một thuật toán xử lý thông tin.

Nhưng ống kính sẽ xác định thông tin nào tồn tại ngay từ đầu.

Sự hiểu biết quang học tốt hơn dẫn đến các quyết định kỹ thuật tốt hơn.