تفاوت عمق میدان و عمق فوکوس

به دلیل تشابه در نام و ماهیت ، عمق میدان (DOF) و عمق فوکوس معمولاً مفاهیم اشتباه گرفته شده ای هستند. برای ساده سازی تعاریف ، DOF مربوط به کیفیت تصویر لنز ساکن است زیرا جسم تغییر مکان می یابد ، در حالی که عمق فوکوس مربوط به جسم ساکن و توانایی حسگر در حفظ فوکوس برای موقعیت های مختلف حسگر ، از جمله شیب است.

عمق میدان

DOF لنز توانایی آن است که در صورت نزدیک شدن و دورتر شدن فاصله جسم از سطح بهترین فوکوس ، کیفیت مطلوب تصویر (فرکانس فضایی با کنتراست مشخص) را بدون فوکوس مجدد حفظ کند. DOF همچنین در مورد اشیایی با هندسه پیچیده یا ویژگی هایی با ارتفاع متفاوت کاربرد دارد. همانطور که یک جسم نزدیک یا دورتر از فاصله فوکوس تعیین شده لنز قرار می گیرد ، جسم محو می شود و وضوح و کنتراست رنج می برد. به این ترتیب ، DOF تنها در صورت منطقی بودن با وضوح و کنتراست مرتبط تعریف می شود. از چندین هدف می توان برای اندازه گیری مستقیم و معیار کردن DOF سیستم تصویربرداری استفاده کرد. این اهداف در تست اجمالی هدف مشخص شده اند.

جهت مشاهده مطلب روی آن کلیک کنید: بهترین رینگ لایت سالنی

وضوح و DOF

“آیا این لنز DOF خوبی دارد؟” تعیین مقدار بدون تعیین اندازه جزئیات شی یا فرکانس فضای تصویر دشوار است. هرچه جزئیات کوچکتر باشد ، فرکانس مکانی مورد نیاز بالاتر خواهد بود و لنزهای DOF کوچکتر هستند. برای دیدن نحوه عملکرد لنز در عمق معین در اندازه جزئیات خاص (منحنی عملکرد لنز) می توان از منحنی DOF استفاده کرد. این نمودارها نه تنها محدودیت های نظری مرتبط با تنظیم f / # را در نظر می گیرند ، بلکه تأثیرات نابجای طراحی لنز را نیز در نظر می گیرند.

در شکل 1 ، مقادیر کنتراست (محور y) در یک دامنه WD (محور x) با فرکانس ثابت 20 دیده می شود
lp
میلی متر
(جزئیات تصویر) به تفاوت DOF بین شکل 1a که در f / 2.8 تنظیم شده است و شکل 1b که در f / 4 تنظیم شده است توجه کنید. همچنین توجه داشته باشید که به دلیل کاهش بزرگنمایی ، DOF قابل استفاده بیشتر از بهترین فوکوس نسبت به بهترین فوکوس و لنز وجود دارد. نمودارها خود حاوی خطوط رنگی مختلفی هستند که موقعیت های مختلف حسگر را نشان می دهند. این نوع منحنی های نامتقارن DOF در لنزهای فاصله کانونی ثابت معمول هستند.

شکل 2 دارای همان لنز شکل 1a است اما در WD متفاوت است. توجه داشته باشید که افزایش DOF در WD های طولانی تر اتفاق می افتد. سرانجام ، با تمرکز لنز بر روی اشیا inf بی نهایت دور ، شرایط بیش از حد کانونی ایجاد می شود. این شرایط در مسافتی که همه چیز در همان تمرکز ظاهر می شود ، حاصل می شود.

f / # چگونه بر DOF تأثیر می گذارد

تغییر f / # عدسی باعث تغییر DOF می شود ، که در شکل 3 نشان داده شده است. برای هر پیکربندی نشان داده شده در شکل 3 ، دو دسته پرتوی وجود دارد. بسته نرم افزاری ارائه شده با خطوط سیاه نقطه چین نشان می دهد که لنز به خوبی تمرکز دارد. همانطور که یک جسم از بهترین موقعیت تمرکز دور می شود (جایی که خطوط نقطه دار عبور می کنند) ، جزئیات جسم به منطقه وسیع تری از مخروط منتقل می شوند. هرچه گسترش مخروط بیشتر باشد ، تصویر بیشتر در محیط اطراف تار می شود. f / # عدسی کنترل می کند سرعت مخروط به چه سرعت گسترش می یابد و چه مقدار اطلاعات یا جزئیات در یک فاصله معین با هم تار می شوند. شکل 3a یک لنز با DOF کم عمق را نشان می دهد ، جایی که شکل 3b یک لنز با DOF بزرگ را نشان می دهد.

مخروط قرمز در شکل 3 نمای زاویه ای وضوح سیستم است. در جایی که خطوط مخروط قرمز و مخروط سیاه نقطه ای تلاقی می کنند ، محدوده کل DOF را مشخص می کند. هرچه f / # پایین تر باشد ، خطوط نقطه چین سریعتر گسترش می یابد و DOF پایین تر است.

با کوچکتر شدن جزئیات (با یک مخروط قرمز کوچکتر نشان داده می شود) ، بسته های موجود در شکل 3a و 3b به هم نزدیک می شوند. در نهایت ، افزایش بیش از حد f / # باعث می شود جزئیات کوچکتر به دلیل رسیدن به حد پراش لنز ، تاری شوند ، زیرا وضوح محدود کننده لنز با f / # متناسب است. این محدودیت به این معنی است که در حالی که افزایش f / # همیشه باعث افزایش DOF می شود ، حداقل اندازه ویژگی قابل حل (حتی در بهترین حالت فوکوس) افزایش می یابد. برای اطلاعات بیشتر در مورد حد پراش و ارتباط آن با f / # ، به The Airy Disk and Diffraction Limit مراجعه کنید. استفاده از طول موج کوتاه به نجات بخشی از این رزولوشن کمک می کند. درباره چگونگی تأثیر طول موج بر عملکرد سیستم در MTF Curves و عملکرد لنز بیشتر بدانید. توجه داشته باشید که این اثر پراش در شکل 3 قابل مشاهده نیست ، اما در اینجا به عنوان نکته ای ذکر شده ذکر شده است.

به طور کلی ، وقتی لنزها در WD کوتاه متمرکز می شوند ، زاویه های بزرگ مخروط باعث می شود که مخروط ها در هر دو طرف بهترین فوکوس خیلی سریع از هم دور شوند و منجر به DOF محدود شود. برای اشیا in در تمرکز در WD های طولانی تر ، میزان انتقال بسته ها کاهش می یابد و DOF افزایش می یابد.

مثال: f / # جلوه ها در سطح شی از نزدیک
شکل 4a بسته نرم افزاری اشعه را در مرکز یک شی تحت بررسی در f / 2.8 (a) و f / 8 (b) نشان می دهد. خطوط عمودی نشان دهنده افزایش 2 میلی متری فاصله از بهترین فوکوس است. در هر خط عمودی ، یک مربع اندازه ویژگی گسسته تک پیکسل جزئیات را نشان می دهد. شکل 4a نشان می دهد که با گسترش عرض بسته اشعه ، پرتوهای بیشتری جزئیات را از دست می دهند. در شکل 4b ، بسته نرم افزاری با سرعت کمتری منبسط می شود و اشعه ها به جزئیات بزرگتر از قطر بسته نرم افزاری برای تمام عمق نشان داده شده برخورد می کنند.

شکل 5 همان مفهوم شکل 4 را نشان می دهد ، اما مخروط ها نمایانگر چندین نقطه در FOV هستند. هر جزئیات و فضای بعدی نشان دهنده یک جفت خط است. همپوشانی بسته های نرم افزاری موجود در شکل 5a نشان می دهد که چگونه اطلاعات سریعتر از شکل 4b با هم مخلوط می شوند و نشان می دهد که چگونه دو جزئیات مختلف جسم می توانند به دلیل f / # کمتر با هم تار شوند. در شکل 5b ، این به دلیل بالاتر بودن f / # لنز رخ نمی دهد.

عمق فوکوس – پیشرفته
عمق فوکوس ، مکمل فضای تصویر DOF است و به نحوه تغییر کیفیت فوکوس در سمت سنسور لنز هنگام حرکت سنسور مربوط می شود ، در حالی که جسم در همان موقعیت باقی می ماند. عمق فوکوس مشخص کننده میزان نوک و شیب بین صفحه تصویر لنز و سطح سنسور است. همانطور که f / # کاهش می یابد ، عمق فوکوس نیز انجام می شود ، که تأثیری را که شیب در دستیابی به بهترین فوکوس در سنسور دارد ، افزایش می دهد. بدون هم ترازی فعال ، همیشه درجه ای از تفاوت در سنخ و حسگر مورد استفاده وجود دارد. شکل 6 نحوه بروز این مسئله را نشان می دهد. به طور کلی فرض بر این است که مشکلات مربوط به عمق تمرکز فقط در سنسورهای بزرگ رخ می دهد.

با این حال ، این مسئله مستقل از اندازه سنسور است. همانطور که استخراج در معادله 3 نشان می دهد ، عمق تمرکز ،
δ
، به شدت به تعداد پیکسل ها یا تعداد پیکسل ها بستگی دارد ،
پ
، و ارتباط کمی با آرایه یا اندازه پیکسل دارد ،
s
. با افزایش سنسورها در تعداد پیکسل ها ، این مسئله بیشتر مشهود است. به ویژه در بسیاری از برنامه های اسکن خط ، آرایه های بزرگ و f / # های پایین بر نیاز به هم ترازی دقیق بین جسم ، لنز و سنسور تأکید می کنند.

اثرات شیب سنسور

شکل 7 یک لنز 35 میلی متری را با استفاده از نور 470 نانومتر نشان می دهد. شکل 7a روی f / 2.8 و شکل 7b روی f / 5.6 تنظیم شده است. هر دو نمودار به 150 می رسد
lp
میلی متر
– حد Nyquist یک سنسور با 3.45 میکرومتر پیکسل. به راحتی می توان دریافت که عملکرد شکل 7a بهتر از شکل 7b است ، استفاده از این لنز در تنظیم f / 2.8 بالاترین سطح کیفیت تصویربرداری را در یک صفحه جسم مشخص ارائه می دهد. با این حال ، همانطور که در بخش قبلی بحث شد ، شیب حسگر بر کیفیت تصویر تولید شده تأثیر منفی می گذارد و هرچه تعداد پیکسل ها بیشتر باشد ، اثر بارزتر خواهد بود.

شکل 8 عمق فوکوس را برای دو حالت موجود در شکل 7 تجزیه و تحلیل می کند. در هر دو حالت ، خط عمودی بسیار راست در بهترین فوکوس برای تصویر کامل است. هر خط نیمه عمودی در سمت چپ بهترین فوکوس ، موقعیتی برابر با 12.5 میکرومتر را به پشت لنز نشان می دهد. اینها با فرض نوک / شیب 12.5 میکرون و 25 میکرومتر از مرکز به گوشه سنسور ، موقعیت پیکسل ها را شبیه سازی می کنند. بسته پرتو آبی مرکز تصویر و بسته های اشعه زرد و قرمز گوشه های تصویر را نشان می دهد. بسته های زرد و قرمز نشان دهنده یک چرخه جفت خط روی سنسور با فرض 3.45 میکرومتر پیکسل است. در شکل 8a توجه کنید ، که برای f / 2.8 در حال حاضر بین بسته های پرتوی زرد و قرمز در تغییر موقعیت شیب 12.5 میکرون خونریزی وجود دارد. با حرکت به 25 میکرومتر ، بسته نرم افزاری قرمز اکنون دو پیکسل کامل و تقریباً نیمی از بسته نرم افزاری زرد را نیز پوشش می دهد. این باعث تار شدن قابل توجه می شود. در شکل 8b ، برای f / 5.6 ، بسته های پرتوی زرد و قرمز در یک پیکسل در محدوده کامل شیب 25 میکرومتر باقی می مانند. توجه داشته باشید که موقعیت پیکسل آبی تغییر نمی کند ، زیرا نوک / شیب در این پیکسل متمرکز است.

شکل 9 تغییر عملکرد MTF در گوشه تصویر را برای این لنز 35 میلی متری با فرض 25 میکرومتر شیب نشان می دهد ، در شکل 8 دیده می شود. شکل 9a عملکرد جدید لنز را در f / 2.8 نشان می دهد. به کاهش عملکرد از شکل 9a توجه کنید. شکل 9b تغییر عملکرد را در f / 5.6 نشان می دهد که در مقایسه با 9a جزئی است. از همه مهمتر ، لنزهای f / 5.6 اکنون از لنز f / 2.8 بهتر عمل می کنند. اشکال در سیستم های در حال اجرا در f / 5.6 نسبت به f / 2.8 سه برابر کمتر است و این می تواند در برنامه های اسکن با سرعت بالا یا خط مشکل ساز شود. سرانجام ، اگر سنسور به مرکز خود متمایل باشد ، از آنجا که دسته های اشعه پس از بهترین فوکوس گسترش می یابند ، در بالا و پایین سنسور (و نقاط مربوط به FOV) کاهش عملکرد رخ می دهد. هیچ دو ترکیب دوربین و لنز یکسان نیستند. هنگام ساخت سیستم های متعدد ، این واقعیت می تواند در درجات مختلفی نشان داده شود.

برای غلبه بر این مسائل ، باید از دوربین ها و لنزهایی با تحمل شدیدتر استفاده کنید. برای حسگرها ، بعضی از لنزها مکانیزم های کنترل نوک / شیب را دارند تا بر این عامل غلبه کنند. توجه داشته باشید که برخی از سنسورهای اسکن خط ممکن است swale داشته باشند ، به این معنی که کاملاً مسطح نیستند. این را نمی توان از طریق کنترل نوک / شیب کاهش داد یا از بین برد.

مطالب مرتبط:  انواع انحرافات نوری لنز