Para los entusiastas de la fotografía o los profesionales de la visión artificial, la lente es como un ojo humano. Sin embargo, los complejos números y términos en la lente - distancia focal, apertura, MTF - a menudo dejan a la gente deslumbrada. Estos parámetros no son solo números fríos, sino que determinan colectivamente lo que finalmente ves en la imagen. Este artículo te guiará para comprender los parámetros centrales de las lentes ópticas y desvelar los secretos detrás de la calidad de imagen.

1, Tres elementos básicos: distancia focal, apertura y profundidad de campo

1. Distancia focal
La distancia focal, generalmente representada por f, es la identificación más fundamental de una lente. Desde una perspectiva de principio óptico, se refiere a la distancia (en milímetros) desde el centro óptico de la lente hasta el plano focal. Pero desde una perspectiva práctica, la distancia focal determina dos efectos clave: el ángulo de visión y la magnificación.

Distancia focal corta (gran angular): Valor numérico pequeño (como 16 mm), gran ángulo de visión, capaz de abarcar una escena más amplia, pero los objetos distantes aparecen más pequeños. Adecuado para fotografiar paisajes o espacios interiores con espacio limitado.

Distancia focal larga (teleobjetivo): Con un valor grande (como 200 mm) y un ángulo de visión estrecho, es como un telescopio que puede acercar y alejar objetos distantes. Adecuado para fotografiar eventos deportivos o vida silvestre.

Cabe señalar que el tamaño del sensor afectará el ángulo de visión real. Por ejemplo, si la misma lente se instala en una cámara de formato APS-C, el ángulo de visión se estrechará debido a que el sensor solo captura la parte central de la imagen, lo que equivale a multiplicar la distancia focal por 1.5 veces (distancia focal equivalente).

2. Apertura
La apertura es un orificio dentro de la lente que se utiliza para controlar la cantidad de luz que entra. Su valor se representa con el valor F, como F1.4, F2.8, F5.6. Aquí hay una regla contraintuitiva: cuanto menor sea el valor F, mayor será la apertura.
Flujo de luz: Cuanto menor sea el valor F, más luz entrará, lo que le da una ventaja para disparar en entornos con poca luz y permite velocidades de obturación más altas para evitar temblores de manos.
Secuencia de coeficientes de apertura: La secuencia estándar de valores F (como 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6...) tiene una diferencia de doble cantidad de luz entrante por cada dos niveles adyacentes. Porque la cantidad de luz que pasa es inversamente proporcional al cuadrado del valor F.

3. Profundidad de campo
Cuando enfocas en el sujeto, el rango de imagen clara delante y detrás del objeto es la profundidad de campo -1-3. La profundidad de campo está influenciada por tres factores, que también son herramientas poderosas para que los fotógrafos creen efectos de desenfoque:
Apertura: Cuanto mayor sea la apertura (menor el valor F), menor será la profundidad de campo (más pronunciado será el desenfoque del fondo); Cuanto menor sea la apertura (mayor valor F), mayor será la profundidad de campo (escenas frontales y traseras claras).
Distancia focal: Cuanto mayor sea la distancia focal, menor será la profundidad de campo; Cuanto menor sea la distancia focal, mayor será la profundidad de campo.
Distancia de disparo: Cuanto más cerca esté la lente del sujeto, menor será la profundidad de campo.

2, Campo de visión y distorsión: ángulo de campo de visión y distorsión

4. Ángulo de campo de visión
El ángulo de campo de visión se refiere al ángulo del rango de escena que la lente puede cubrir -6 grados. Es inversamente proporcional a la distancia focal y directamente proporcional al tamaño del sensor.
En visión artificial, el ángulo de campo de visión horizontal (ω H) se puede calcular utilizando el tamaño del sensor (h) y la distancia focal (f): ω H=2 tan ¹ (h/2f) -6. En pocas palabras, si quieres ver un rango más grande a la misma distancia, necesitas una distancia focal más corta o un sensor más grande.
5. Distorsión
La distorsión se refiere al grado de deformación de una imagen, que no afecta la claridad, sino solo la forma.
Distorsión de barril: La imagen se asemeja a una pelota inflada expandiéndose hacia afuera y una línea recta curvándose hacia afuera. Comúnmente vista en lentes gran angular.
Distorsión de almohada: La imagen se asemeja a las cuatro esquinas de una almohada encogiéndose hacia adentro y las líneas rectas curvándose hacia adentro. Comúnmente vista en lentes teleobjetivo.
Los sistemas de medición de alta precisión deben usar lentes de baja distorsión, de lo contrario se requiere calibración por software.

3, Indicadores centrales de calidad de imagen: resolución y MTF

6. Resolución
En el campo de las lentes, la resolución se refiere a la capacidad de una lente para distinguir los detalles del objeto, medida en "pares de líneas por milímetro" (lp/mm), que significa cuántas líneas blancas y negras se pueden distinguir por milímetro de distancia.
La resolución de la lente debe coincidir con el tamaño de píxel de la cámara. Si la resolución de la lente es demasiado baja, incluso si los píxeles de la cámara son altos, no podrá presentar detalles. Según el teorema de muestreo de Nyquist, el tamaño de la línea de la lente debe ser aproximadamente 2 veces el tamaño del píxel.

7. Curva MTF
MTF (Modulation Transfer Function) es la herramienta más científica y completa para evaluar la calidad de imagen de una lente. No es como un valor de resolución único que solo describe la resolución final, sino que refleja la capacidad de la lente para transmitir contrastes.
Eje horizontal: distancia desde el centro de la imagen (altura de la imagen).
Eje vertical: Capacidad de restauración del contraste (1 para restauración perfecta, 0 para pérdida completa).
Técnica de interpretación: Cuanto más alta sea la curva, mejor será el contraste y la resolución de la lente; Cuanto más plana sea la curva, mejor será la consistencia entre el centro y los bordes de la pantalla.

4, Terminología avanzada: No se trata solo de tomar fotos

En el campo de la fotografía profesional o la visión artificial, también hay algunos parámetros que son cruciales:
8. Distancia focal trasera y distancia de brida
La distancia focal trasera se refiere a la distancia desde la superficie de la última lente de la lente hasta el punto focal, que es -1. Al reemplazar la lente o usar un anillo adaptador, es importante prestar atención a si la distancia de brida (la distancia desde el plano de montaje hasta el punto focal) coincide. Por ejemplo, al instalar una lente de interfaz C (con una distancia de brida de 17.526 mm) en una cámara de interfaz CS, es necesario instalar un anillo separador.

9. Ángulo del rayo principal
El Ángulo del Rayo Principal (CRA) se refiere al ángulo entre el rayo principal emitido por la lente y el eje óptico, que es. Para garantizar que la luz pueda ser recibida sin problemas por el "pozo" de los píxeles del sensor, el CRA de la lente debe ser menor o igual al CRA de la cámara, de lo contrario habrá un tinte de color o oscurecimiento en los bordes de la imagen (es decir, fenómeno de sombreado de color).

10. Lente telescópica
En una lente regular, cuanto más cerca está un objeto de la lente, mayor es la imagen. Pero en mediciones de precisión, este error de perspectiva no está permitido. La lente telecéntrica está diseñada con una ruta óptica especial para garantizar que la magnificación de la imagen permanezca constante dentro de un cierto rango de distancia del objeto, eliminando así la paralaje y convirtiéndose en la opción preferida para mediciones de alta precisión.