VIS-NIR FA Lenses
GU Optics pushes out a new series lenses, VIS-NIR FA Lenses, its working wavelength covers visible light and near-infrared light. And its focal length covers 8mm, 12mm, 16mm, 25mm, 35mm, and 50mm. With high resolution design and compact structure, this series of lenses can be widely used in industrial automation, machine vision, PCB inspection, biology, medicine, environmental protection and other fields.

Product characteristics
1. The working band covers visible light and near-infrared light;
2. Compact design;
3. Standard C-Mount design;
4. Vibration Resistance
 
VIS-NIR FA Lenses

F/#

Max. sensor size

Pro No.
Parameter
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F/#
Max. sensor size
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8mm
1.8
2/3"
0.1m~∞
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$148.01
12mm
1.8
2/3"
0.1m~∞
Consult
$144.21
16mm
1.8
2/3"
0.2m~∞
Consult
$144.21
25mm
1.8
2/3"
0.2m~∞
Consult
$144.21
35mm
2
2/3"
0.3m~∞
Consult
$144.21
50mm
2
2/3"
0.4m~∞
Consult
$148.01

 

VIS-NIR

VIS是visible light的缩写,一般是指电磁波谱中人眼可以感知的部分。可见光谱没有精确的范围,一般人的眼睛可以感知的光谱波长为400nm~780nm之间。

NIR是near infrared rays,即近红外光。近红外光是一个以应用划分的概念,没有非常科学的定义,一般是指780-1000nm,也有定义为780-1200nm。

VIS-NIR镜头的由来:相机芯片厂家优化了可见光芯片的工作波段,使其能工作波段覆盖400-1000nm(也会有400-1100nm,400-1200nm的定义),并命名这样的相机为VIS-NIR相机。因此,匹配此类型相机的镜头被命名为VIS-NIR镜头。

 

1. 焦距

焦距是指镜头的光学中心(光学后主点)到成像面焦点的距离,平行光通过镜头汇聚于一点,这个点就是所说的焦点,是镜头的重要性能指标。
一般常用的工业镜头的焦距为8mm、12mm、16mm、25mm、35mm、50mm等。
焦距是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式。
焦距的大小决定着视场角的大小,焦距数值小,观察的范围大;焦距数值大,视场角小,观察范围小。



图1:镜头焦距与工作距离选择

焦距f ÷ 工作距离 WD = 传感器横向尺寸 ÷ 横向视野尺寸 = 传感器纵向尺寸 ÷ 纵向视野尺寸


后焦距:镜头最后一个镜片表面顶点到焦点的距离。因对焦时镜头后镜片可能移动,一般标注无穷远对焦时的后焦距,也就是最小后焦距,有限距离成像时后焦距会增大。

 

2. F值
光圈F值又称为光圈数,是镜头焦距与有效孔径(即光圈)之比。

光圈数 = 焦距 ÷ 有效孔径     
F值衡量光学系统通光量的大小。


图2:光圈与景深
 
一般镜头会标注最小光圈数,即最大通光孔径。如F1.4,F1.8,F2.0等。
光圈的调节会有两个主要影响:成像亮度与景深。
光圈越大,进入系统的光线越多,图像亮度越高;光圈越小,进入系统的光线越少,图像越暗。
光圈越大,景深越小,虚化明显;光圈越小,景深越大。

      

图3:大光圈通光量大,景深小虚化明显
 
3. 视场角
       在光学系统中,以镜头为顶点,以被测物体通过镜头的较大成像范围的两边缘构成的夹角叫做视场角。视场角的大小决定了镜头的视野范围,视场角越大,视野就越大,光学倍率也就越小。
       视场角与传感器尺寸有关,镜头的视场角应标明标准传感器尺寸。

以联合光科16mm 2/3" 5M 定焦镜头 为例:
 
传感器尺寸 视场角
(对角×水平×垂直)
对象大小
(在最近对焦距离处)
2/3" 38.0°×30.8°×23.4° 145.6×116.5×87.3mm
1/2" 28.1°×22.7°×17.1° 105.9×84.6×63.5mm
1/3" 21.3°×17.1°×12.9° 79.4×63.5×47.6mm
表1:16mm镜头传感器与视场大小

       
使用某一款相机,在相同工作距离下拍摄,不同焦距的镜头也会有不同的视场角。

 


图4:同款相机,相同工作距离,不同焦距的拍摄效果(注:图中所标为水平视场角)

视场角与焦距有关,如下图片:视场角与镜头焦距。

图5:镜头焦距与视场角
 
4. 畸变

       理想的镜头成像,物平面与像平面上的放大倍率是固定的,但实际这一性质只有在图像中心区域的小视场才具备。图像的放大倍率会随着视场增大而变化,使成像产生失真。
       镜头对被摄物体所成的像相对于物体本身的失真程度称为畸变。
通常分为两种:
       枕形畸变:镜头成像画面呈向中间收缩的失真现象。
       桶形畸变:镜头成像画面呈桶形膨胀状的失真现象。


图6:枕形畸变与桶形畸变

 

       畸变会使图像变形,但不影响成像分辨率,可以使用软件校正。

 

5. 接口
       相机和镜头的连接方式即为镜头的光学接口,业内对于光学接口已经形成了标准的规范。例如CS口、C口、F口。在工业应用中,一般C口和CS口用在小传感器尺寸相机上,F口用在大传感器尺寸相机上。此外,还有线阵相机常用接口M42、M58、M72等,顾名思义这些就是某个直径的螺纹口。

 

卡口 机身相场定位(法兰)距离 接口类型
C 17.526mm 螺纹M25.4×0.8
CS 12.5mm 螺纹M25.4×0.8
F 46.5mm 三爪卡口
M42(SLR型) 45.5mm 螺纹M42×1
M42(T型) 55mm 螺纹M42×0.75
M58 11.48mm 螺纹M58×0.75
M72 11.48mm 螺纹M72×0.75
表2:镜头接口规格
 
 
6. 最大传感器尺寸
       镜头在像平面的成像是圆形,但接收图像的传感器通常为矩形,所以最终保存的图像是矩形。镜头成像尺寸会以通用尺寸的传感器设计,使得圆形像外接矩形传感器,这个传感器尺寸就是该镜头的最大传感器尺寸。
       如果使用更大尺寸的传感器,四个角会在镜头圆形像之外。
       可以使用更小尺寸的传感器,传感器只采集到圆形像较小区域,视场和视场角会变小。
 
传感器尺寸 对角线长度/mm 水平长度/mm 竖直长度/mm
1/4" 4 3.2 2.4
1/3" 6 4.8 3.6
1/1.8" 9 7.1 5.3
2/3" 11 8.8 6.6
1" 16 12.8 9.6
4/3" 22 17.6 13.2
表3:传感器尺寸
 
 
   
                                      图7:视场角与传感器                                       图9:像圈外接在匹配的传感器四角
 
 
 
7. 入瞳与出瞳

       入瞳距离:入瞳是限制入射光束的有效孔径,是孔径光阑被前方光学系统所成的像;入瞳距离是入瞳与镜头第一个镜片表面的距离。
       入瞳直径:孔径光阑对前方光学系统所成的像的大小。
       出瞳距离:出瞳是限制出射光束的有效孔径,是孔径光阑被后方光学系统所成的像;出瞳距离是出瞳与镜头最后一个镜片表面的距离。
       出瞳直径:孔径光阑对后方光学系统所成的像的大小。

       孔径光阑

图10:入瞳与孔径光阑
 

       镜头中对入射光束有限制作用的,如透镜边缘,螺纹,镜筒壁等,都可以称为光阑。
       如图,1,2镜片边缘,3光圈都可以限制入射光束,图中能通过1号镜片的光束只有一部分能进入2号镜片,通过2号镜片的光束只有一部分能进入3号光圈,所以3号光圈最终限制能进入镜头成像的光束大小。
       最终限制镜头入射光束大小的光阑称为孔径光阑。
       表示孔径光阑的大小并非实际尺寸,而是通过前方或后方所有光学元件成像的大小。图中,在A点观测时,3号光圈被1号和2号透镜放大成4号虚像,A点发出的光经1号2号透镜进入3号光圈,与光从A点直接进入4号等效。把光圈对两个透镜所成的4号像称为入瞳。
       孔径光阑被前方光学系统所成的像,叫做入瞳,像的直径为入瞳直径。
       孔径光阑被后方光学系统所成的像,叫做出瞳,像的直径为出瞳直径。

 

8. 光学总长
       镜头第一片镜片表面到像平面的距离。


图11:光学总长
 
9. 放大倍率
 

       是指物体通过镜头在焦平面上的成像大小与物体实际大小的比值。定焦镜头一般成倒像,放大倍率带负号。
       对同一个镜头而言,光学倍率与被拍摄物体距离镜头的远近有关;在最短工作距离对焦时,光学倍率最大。

 

8mm 2/3" 5M 定焦镜头  对焦距离与放大倍率
对焦距离 放大倍率 前景深(mm) 后景深(mm)   对焦距离 放大倍率 前景深(mm) 后景深(mm)
100mm -0.072 1.019 1.066   350mm -0.023 17.924 21.972
150mm -0.050 2.392 2.552   400mm -0.020 23.241 29.297
200mm -0.039 6.366 6.984   500mm -0.016 35.204 50.558
250mm -0.031 12.981 16.026   750mm -0.011 70.795 81.776
300mm -0.026 26.267 14.553   1000mm -0.008 160.004 160.975
 
表4:对焦距离与放大倍率
 
 
10. 景深
 
       镜头对某一物平面对焦后,在对焦平面的前后都有一段能清晰成像的范围,分别称为前景深和后景深。
       景深=前景深+后景深;


图12:景深
 

       像方弥散圆:成像光束未会聚于一点,在像平面上形成一个扩散的圆形投影,称为弥散圆。
       景深ΔL=ΔL1+ΔL2
              δ:弥散圆直径;
              f :焦距;
              F:光圈F值;
              L:拍摄距离;

       减小光圈(增大F值)、增加拍摄距离、选择小焦距镜头均可使景深增加。

11. 工作距离
       指从镜头前部到被观测物体的距离。

12. 主光角CRA
       镜头CRA,表示镜头主光线与光轴的夹角。主光线是从被观测物体发射,经孔径光阑的中心到成像的光线。
       传感器CRA:可以聚焦到像素上的光线的最大角度。超过此角度的光束不能完全被传感器接收。
       一般要求镜头CRA不大于相机传感器CRA。

图13:传感器主光角

a.像素上方聚光透镜,b.金属导线,c.光电转换区域。

       图中1号光线主光角超过传感器CRA,光线无法到达光电转换区域;2号3号主光角小于传感器CRA,光线可以到达光电转换区域。

 

13. 分辨率
       镜头的分辨率是指镜头可以分辨两个靠近的点的能力,也称为解析力。镜头分辨率通常使用MTF曲线表征。MTF曲线表示空间频率与传递函数值的关系。空间频率是每mm线对数,可以代表两个点的靠近程度。传递函数代表反差即能分辨出两个靠近点的程度。
       传感器分辨率一般指横向与纵向像素数乘积,如500万像素,传感器横向与纵向像素数为2560×1920。单个像素即像元的尺寸,与传感器的尺寸和分辨率相对应。可以根据表3传感器尺寸除以像素数量,得到像元尺寸。如2/3" 500万传感器,像元尺寸3.4μm。镜头的分辨率应与像元尺寸匹配。通常按照线对尺寸的一半选择像元尺寸。例如,1/1.8" 小像元镜头,是230lp/mm高分辨率设计,线对尺寸1000/230μm=4.34μm,匹配像元尺寸为4.24/2μm=2.17μm,可以匹配市面上2.2μm的传感器。选择比2.2μm小的像元,并不能带来更丰富的细节。

 

14. MTF曲线

       横轴表示空间频率,即每mm线对数。纵坐标表示传递函数,数值为1,线对对比明显,可清晰分辨;数值为0,线对没有反差无法分辨。
       图14中有多条曲线,每条曲线都标注像高。0mm表示轴上MTF数值,4.5mm表示轴外像高4.5mm的MTF数值。不同像高的MTF曲线趋势一致不分散,表示镜头轴上轴外一致性高。黑色直线代表受衍射极限限制的MTF数值。
       在低频空间的MTF反应镜头反差,高频空间的MTF反应镜头分辨率。理想的成像镜头MTF曲线应缓慢下降。
 

图14:1/1.8”小像元镜头MTF曲线
 
 
15. 其他解释
 
       变焦:当不方便通过改变工作距离来控制成像大小时,可以更换其他焦距的镜头,或者使用变焦镜头。变焦镜头比定焦镜头多一个调焦环,旋转调焦环可以改变视场角,当工作距离不变时,可以改变成像的大小。
 
       对焦:定焦镜头的焦距是固定不变的,当改变工作距离,手动调节镜头使成像清晰的过程称为对焦。定焦镜头一般有两个转环:对焦和光圈调节。
 
       调焦:在使用定焦镜头时,通常所说的调焦,其实是对焦。通过旋转对焦环,使成像清晰。


       对焦与调焦的区别: 对焦过程不会改变视场角,即不会改变视场范围,工作距离确定后对焦不会改变成像大小;变焦镜头调焦时会改变视场角(视场范围,放大倍率,成像的大小),一般调焦完成,需要再次对焦成清晰的像。


       焦距,工作距离与放大倍率:

   
图15:相同镜头,工作距离增大,放大倍率减小
图16:相同工作距离,小焦距镜头,放大倍率小;大焦距镜头,放大倍率大
   
 

 

在实际应用中,可以通过调节工作距离,或者更换不同焦距的镜头,来改变图像大小。
 
 
 

 

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Vision imaging manual: The products in the manual include: fixed focus lens, telecentric lens, zoom zoom lens, line scan lens, short wave near infrared lens (SWIR), 360°outer surround view lens, VIS-NIR lens, relay lens , Teleconverter, etc. In addition to standard lens products, it also provides lens design and development.

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