視場(chǎng)和角度視場(chǎng)

圖 1：不同傳感器尺寸的比較，顯示了更大的傳感器尺寸如何有助于更大的視野。藍(lán)色(4096 x 4096 像素)和紅色(2048 x 2048 像素)正方形表示由 15 x 15 μm 像素制成的傳感器，而綠色正方形(1024 x 1024 像素)表示由 13 x 13 μm 像素制成的傳感器。

視場(chǎng) (FOV) 是相機(jī)可以成像的樣品的最大區(qū)域。它與兩件事有關(guān)，鏡頭的焦距和傳感器尺寸。圖 1 顯示了視場(chǎng)和傳感器尺寸之間的比較。假設(shè)鏡頭的焦距相同，傳感器越大，視野越大。

傳感器大小由傳感器上的像素?cái)?shù)和像素大小決定。不同大小的像素用于不同的應(yīng)用，較大的像素用于更高的靈敏度，較小的像素用于更高的空間分辨率(了解有關(guān)像素大小和相機(jī)分辨率的更多信息)。

鏡頭的焦距描述了鏡頭與傳感器上聚焦圖像之間的距離。當(dāng)光線通過(guò)鏡頭時(shí)，它會(huì)收斂(正焦距)或發(fā)散(負(fù)焦距)，但在相機(jī)中，焦距主要是正焦距。較短的焦距會(huì)更強(qiáng)烈地收斂光線(即以更銳利的角度)聚焦被成像的主體。相比之下，較長(zhǎng)的焦距對(duì)光線的會(huì)聚強(qiáng)度較低(即以較淺的角度)以聚焦圖像。

這意味著焦距的距離取決于光線與鏡頭會(huì)聚的強(qiáng)度，以便聚焦被成像的主體。這反過(guò)來(lái)又會(huì)影響鏡頭可以捕捉到的水平光的角度。這被稱為角視場(chǎng) (AFOV)，是確定整體 FOV 所必需的。AFOV是在水平方向捕獲的任何光與在邊緣捕獲的任何光之間的角度(如圖2所示)。如果您的傳感器尺寸是固定的，則更改焦距將改變 AFOV，從而改變整體 FOV。較短的焦距可提供更大的 AFOV 視圖，因此 FOV 也越大。對(duì)于更長(zhǎng)的焦距，情況也是如此，反之亦然，如圖 2 所示。

圖 2：描述焦距如何影響角視場(chǎng) (AFOV) 的示意圖。焦距越短，AFOV越大，反之亦然，焦距越長(zhǎng)。這會(huì)影響 FOV 的大小。紅線表示來(lái)自物體底部的光線，創(chuàng)建圖像的頂部;藍(lán)光是從水平方向拍攝的光;灰線表示來(lái)自物體頂部的光線，從而創(chuàng)建圖像的底部。圖像的高度用 h 表示。

計(jì)算 AFOV

在計(jì)算 AFOV 時(shí)，需要做出一些假設(shè)：

1、被成像的物體完全填滿相機(jī)傳感器

2、鏡頭處于無(wú)限遠(yuǎn)焦位(即當(dāng)圖像由無(wú)限遠(yuǎn)的物體形成時(shí))

3、鏡頭是針孔

圖 3：該圖顯示了如何使用這三個(gè)假設(shè)來(lái)計(jì)算角視場(chǎng) (AFOV)。通過(guò)假設(shè)鏡頭是針孔并且處于無(wú)限遠(yuǎn)焦距，并且被成像的物體充滿傳感器，可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的方程來(lái)確定 AFOV(以度為單位)。指視角，因?yàn)樗遣东@最大物體同時(shí)仍將圖像貼合在傳感器上的角度。

圖 3 顯示了這些假設(shè)如何允許 AFOV 計(jì)算的簡(jiǎn)化版本。通過(guò)使用三角函數(shù)，AFOV可以表示為：

其中 h 是傳感器的水平尺寸，F(xiàn) 是相機(jī)鏡頭的焦距。

測(cè)量視場(chǎng)角

為了測(cè)量紫外、可見(jiàn)光和紅外相機(jī)的視場(chǎng)，通常使用光學(xué)測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，光線從黑體(吸收所有落在其上的光的物體)聚焦到焦點(diǎn)處的測(cè)試目標(biāo)上。通過(guò)使用一組鏡像，可以創(chuàng)建無(wú)限遠(yuǎn)距離的虛擬映像。

這允許在不知道鏡頭焦距或傳感器尺寸的情況下測(cè)量 FOV 尺寸(即垂直和水平距離)。然后，創(chuàng)建的圖像(包括目標(biāo))顯示在監(jiān)視器上，目標(biāo)圖像是完整圖像顯示的子集。這允許 FOV 近似為：

其中 D 是完整的顯示圖像尺寸(水平或垂直)，d 是目標(biāo)尺寸(水平或垂直)。

總結(jié)

視場(chǎng)定義了相機(jī)可以成像的樣品的最大面積，由鏡頭的焦距和傳感器尺寸決定。

傳感器大小由傳感器上的像素大小和像素?cái)?shù)決定。這可以針對(duì)每種應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，較大的傳感器最適合靈敏度有限的應(yīng)用，而較小的傳感器最適合分辨率有限的應(yīng)用。

鏡頭的焦距會(huì)聚光線，使物體的圖像聚焦到傳感器上。這決定了角度視場(chǎng)，即整個(gè)視場(chǎng)的參數(shù)。這被定義為在水平方向捕獲的任何光與在物體邊緣捕獲的任何光之間的角度。所有這些參數(shù)在確定相機(jī)的 FOV 方面都起著重要作用，可以使用三角函數(shù)和角視場(chǎng)來(lái)測(cè)量，也可以通過(guò)光學(xué)測(cè)試進(jìn)行測(cè)量，其中使用黑體來(lái)創(chuàng)建虛擬圖像。

審核編輯 黃宇