Изображающая оптика требует соблюдения некоторых принципов. Соблюдение этих принципов не является строго обязательным. Они упрощают процесс разработки и обеспечивают эффективность изображающей системы. Под эффективностью будем понимать следующий набор характеристик:
- разрешение получаемых изображений;
- контраст получаемых изображений;
- светосилу или световую эффективность изображающей оптической системы;
- однородность освещенности в плоскости изображений;
- сложность конструкции и количество использованных оптических компонентов;
- стоимость производства изображающей системы.
Правило 1. Помни про размеры и форму.
Основными размерами изображающей системы являются:
- рабочее расстояние;
- рабочий отрезок;
- размер поля зрения;
- размер сенсора;
- размеры самой оптической системы.
Если требования к основным размерам разработаны некорректно, то эффективность изображающей системы будет низкой. Для обеспечения необходимого разрешения может понадобиться большее количество оптических элементов, конструкция станет сложнее. Стоимость производства, соответственно, возрастет. В некоторых случаях система становится нереализуемой.
Некоторые задачи требуют сложной формы оптической системы. Другие – большого диаметра оптических элементов и длины. Третьи – длинного рабочего отрезка или рабочего расстояния и большой камеры. Эти задачи могут стать невыполнимыми, если оптическая система встраивается в уже готовую конструкцию, для чего нужно учитывать расположение механики и электронных компонентов. Оптимальным решением будет начинать разработку изображающего устройства с оптики, так как механика и электроника более гибкие инструменты с точки зрения габаритов и формы.
Размер, форма или специфика исследования объекта наблюдения могут потребовать использования осветителя. Габариты и форма осветителя так же должны быть учтены на стадии разработки требований к изображающей системе также играет роль на стадии разработки требований к изображающей системе.
Правило 2. Не верь глазам своим.
Человеческий глаз и мозг – чрезвычайно продвинутая система визуализации и анализа. Эта система способна дополнять полученное изображение информацией, которой на самом деле не существует. Но по мнению мозга ее в картинке точно не хватает. Кроме того, люди видят и воспринимают контраст иначе, чем оптоэлектронная система формирования изображения. Оценка качества изображений, полученных изображающей системой, должна проводиться только с помощью специализированного программного обеспечения. Изображения, которые хорошо выглядят для человека, могут быть непригодны для использования в алгоритмах обработки информации.
Правило 3. Не нужно слишком близко.
Объектив – ключевой, а иногда и единственный, элемент изображающей системы. Если поле зрения объектива велико по сравнению с его рабочим расстоянием, то это приводит к следующим последствиям:
- Усложняется конструкция объектива. Необходимо большее количество оптических элементов. Форма оптических элементов становиться менее удобной для производства.
- Ужесточаются производственные допуска для линз. Ужесточается допуск на расположение оптических элементов в объективе;
- Падают характеристики объектива – разрешение, контраст, светосила и пр.
Рабочее расстояние объектива должно быть в два-четыре раза больше чем его поле зрения. В этом случае легче получить хорошее качество изображения. Конструкция будет проще, а стоимость производства ниже.
Соотношение длины диагонали сенсора к фокусу объектива – один к двум-четырем – так же упростит разработку.
Правило 4. Нужен правильный свет.
Правильный выбор освещения – принципиальный момент в разработке изображающей оптики. Во-первых, невозможно обеспечить высокую эффективность системы без необходимого уровня освещения. Во-вторых, тип освещения должен быть подобран таким образом, чтобы необходимая информация оказалась на изображении. Ну и в-третьих, нужно помнить об габаритах и форме наблюдаемых объектов. Именно от этого зависит геометрия и размеры системы освещения, что согласуется с первым принципом.
Правило 5. Цвет имеет значение.
Выбор длины волны (цвета) для системы освещения может иметь огромное значение для улучшения или ухудшения качества всей оптической системы. Допустим, система включает в себя высококлассный объектив и камеру, которая может получать как цветные изображения, так и монохромные. Еще лучше, если камера позволяет выбрать длину волны для получения изображения. Длина волны осветителя должна соответствовать рабочей длине волны камеры. В этом случае, использование монохромного освещения может существенно увеличить разрешение и контраст получаемых изображений. Но при этом не стоит забывать и о четвертом принципе.
Правило 6. Высокое разрешение или глубина резкости.
Глубина резкости (глубина изображаемого пространства) объектива противопоставляется разрешению объектива. Чем выше разрешение объектива, тем короче глубина резкости. Это закон природы, обойти который можно только путем некоторых ухищрений. Например, использовать несколько объективов для получения одного изображения. Но дешевле найти компромисс между этими параметрами.
Правило 7. Не существует универсальных решений.
Не существует универсальных изображающих систем, которые могут всё. Повышая требования к разрешению, теряем в глубине резкости. Увеличиваем поле зрения, усложняем систему или получаем дисторсию (искривление изображения). Даже если бюджет разработки неограничен, существуют физические пределы. Именно поэтому рынок оптики насыщен огромным количеством объективов, адаптеров и насадок с различными характеристиками.
Правило 8. Нужно знать, на что смотришь.
Основной задачей изображающей оптики является получение изображения объекта с максимально возможным контрастом. Поэтому, необходимо знать свойства объекта, которые могут повлиять на качество изображения. Например, материал, из которого состоит объект, или способ и качество обработки его поверхности. Это может иметь критическое значение для конечного результата. Систему нужно разрабатывать так, чтобы гарантировать высокий уровень надежности и повторяемости результатов для всех условий, обозначенных в техническом задании.
Правило 9. Учитывай внешние условия.
Влияние внешних условий на изображающую систему может существенно повлиять на надежность получаемых результатов. Учитывая влияние внешних условий, мы уменьшаем риск возникновения неожиданных проблем.
- Использование фильтров для увеличения контраста;
- применение дополнительных диафрагм и экранов для устранения фонового излучения или внешних бликов;
- использование дополнительного оборудования для контроля стабильности работы камеры и/или осветителя.
Эти простые приемы уменьшают риск возникновения непредвиденных осложнений функционирования системы. Некоторые приемы – чрезвычайно дешевые способы, способные защитить и повысить качество дорогой изображающей системы.
Правило 10. Используйте проверенных поставщиков.
Приобретая готовые компоненты или заказывая производство оптических элементов, нужно быть уверенным в добросовестности и компетентности поставщика. Используемые в системе оптические элементы должны соответствовать вашему расчету. Их допуска должны быть в границах, обозначенных в документации.
Одним из способов минимизировать риск несоответствия реального качества чертежам – запросить у производителя значения допусков, которые он может обеспечить. В последующем, оптимизацию допусков изображающей можно базировать на этой информации. Это обеспечит большую надежность системы и более высокий уровень повторяемости результатов.
Об одном из изготовителей оптических элементов можно прочесть тут.
Правило 11. Подробное техническое задание
Качественное техническое задание – основа успешной разработки любой оптической системы. После получения списка требований от клиента, необходимо проверить их на соответствие друг другу и возможность обеспечить их в оптической системе. Иногда это требует предварительной разработки и моделирования. Следующий шаг определение требований к характеристикам системы, не перечисленным в списке клиента. Обсудив достижимые показатели и риски с клиентом можно приступать к написанию технического задания.
Подобный набор принципов описан тут.