Rezolucija je sposobnost slikovnog sustava da reproducira detalje objekta, a ovisi o čimbenicima kao što su vrsta korištene rasvjete, veličina piksela senzora i mogućnosti optike. Što je manji detalj subjekta, veća je potrebna razlučivost objektiva.
Uvod u proces rješavanja
Kvaliteta slike kamere ovisi o senzoru. Jednostavno rečeno, digitalni senzor slike je čip unutar kućišta fotoaparata koji sadrži milijune točaka osjetljivih na svjetlost. Veličina senzora kamere određuje koliko se svjetla može koristiti za stvaranje slike. Što je senzor veći, to je bolja kvaliteta slike jer se prikuplja više informacija. Obično se digitalni fotoaparati oglašavaju na tržištu za veličine senzora od 16 mm, Super 35 mm, a ponekad i do 65 mm.
Kako se veličina senzora povećava, dubina polja će se smanjiti na određenom otvoru blende, jer veći pandan zahtijeva da se približiteobjekt ili upotrijebite veću žarišnu duljinu da ispunite kadar. Za održavanje iste dubine polja, fotograf mora koristiti manje otvore blende.
Ova plitka dubina polja može biti poželjna, posebno za postizanje zamućenja pozadine za portrete, ali pejzažna fotografija zahtijeva veću dubinu, koju je lakše snimiti uz fleksibilnu veličinu otvora blende kompaktnih fotoaparata.
Dijeljenje broja horizontalnih ili okomitih piksela na senzoru pokazat će koliko prostora svaki od njih zauzima na objektu, a može se koristiti za procjenu snage razlučivanja leće i rješavanje zabrinutosti korisnika o veličini piksela digitalne slike uređaja. Kao početnu točku, važno je razumjeti što zapravo može ograničiti razlučivost sustava.
Ova se izjava može demonstrirati na primjeru para kvadrata na bijeloj pozadini. Ako su kvadrati na senzoru kamere mapirani na susjedne piksele, tada će se na slici pojaviti kao jedan veliki pravokutnik (1a), a ne kao dva zasebna kvadrata (1b). Za razlikovanje kvadrata potreban je određeni razmak između njih, barem jedan piksel. Ova minimalna udaljenost je maksimalna razlučivost sustava. Apsolutna granica određena je veličinom piksela na senzoru, kao i njihovim brojem.
Mjerne karakteristike leće
Odnos između izmjeničnih crnih i bijelih kvadrata opisan je kao linearni par. Obično je rezolucija određena frekvencijom,mjereno u parovima linija po milimetru - lp/mm. Nažalost, razlučivost leće u cm nije apsolutna brojka. U danoj razlučivosti, mogućnost da se dva kvadrata vide kao zasebni objekti ovisit će o razini sive ljestvice. Što je veća siva skala razdvajanja između njih i prostora, to je stabilnija sposobnost razrješenja ovih kvadrata. Ova podjela sive ljestvice poznata je kao kontrast frekvencije.
Prostorna frekvencija je data u lp/mm. Iz tog razloga, izračunavanje rezolucije u smislu lp/mm iznimno je korisno pri usporedbi leća i određivanju najboljeg izbora za dane senzore i primjene. Prvi je mjesto gdje počinje izračun rezolucije sustava. Počevši od senzora, lakše je odrediti koje su specifikacije leća potrebne za ispunjavanje zahtjeva uređaja ili drugih aplikacija. Najviša frekvencija koju dopušta senzor, Nyquist, zapravo je dva piksela ili jedan par linija.
Definicijska razlučivost objektiva, koja se također naziva razlučivost prostora slike sustava, može se odrediti množenjem veličine u Μm s 2 kako bi se stvorio par i dijeljenjem s 1000 za pretvaranje u mm:
lp/mm=1000/ (2 X piksela)
Senzori s većim pikselima imat će niže granice rezolucije. Senzori s manjim pikselima radit će bolje prema gornjoj formuli razlučivosti objektiva.
Aktivno područje senzora
Možete izračunati maksimalnu rezoluciju za objektgledanje. Da biste to učinili, potrebno je razlikovati pokazatelje kao što je omjer između veličine senzora, vidnog polja i broja piksela na senzoru. Veličina potonjeg odnosi se na parametre aktivnog područja senzora kamere, obično određene veličinom njegovog formata.
Međutim, točne proporcije će se razlikovati ovisno o omjeru, a nominalne veličine senzora trebale bi se koristiti samo kao smjernica, posebno za telecentrične leće i velika povećanja. Veličina senzora može se izravno izračunati iz veličine piksela i aktivnog broja piksela za provođenje testa razlučivosti leće.
Tablica prikazuje Nyquistovo ograničenje povezano s veličinama piksela koje se nalaze na nekim vrlo često korištenim senzorima.
| Veličina piksela (µm) | Upareno Nyquistovo ograničenje (lp/mm) |
| 1, 67 | 299, 4 |
| 2, 2 | 227, 3 |
| 3, 45 | 144, 9 |
| 4, 54 | 110, 1 |
| 5, 5 | 90, 9 |
Kako se veličine piksela smanjuju, pridružena Nyquistova granica u lp/mm proporcionalno se povećava. Da bi se odredilo apsolutno minimalno rješivo mjesto koje se može vidjeti na objektu, mora se izračunati omjer vidnog polja i veličine senzora. Ovo je također poznato kao primarno povećanje.(PMAG) sustavi.
Odnos povezan sa sustavom PMAG omogućuje skaliranje rezolucije prostora slike. Obično, kada se dizajnira aplikacija, ona nije navedena u lp/mm, već u mikronima (µm) ili frakcijama inča. Možete brzo skočiti na krajnju razlučivost objekta korištenjem gornje formule kako biste lakše odabrali razlučivost objektiva z. Također je važno imati na umu da postoji mnogo dodatnih čimbenika, a gore navedeno ograničenje je mnogo manje podložno pogreškama od složenosti uzimanja u obzir mnogih čimbenika i njihovog izračunavanja pomoću jednadžbi.
Izračunajte žarišnu duljinu
Rezolucija slike je broj piksela u njoj. Označen u dvije dimenzije, na primjer, 640X480. Izračuni se mogu provesti zasebno za svaku dimenziju, ali se zbog jednostavnosti često svede na jednu. Da biste izvršili točna mjerenja na slici, trebate koristiti najmanje dva piksela za svako najmanje područje koje želite otkriti. Veličina senzora odnosi se na fizički pokazatelj i, u pravilu, nije navedena u podacima putovnice. Najbolji način za određivanje veličine senzora je da pogledate parametre piksela na njemu i pomnožite ga s omjerom širine i visine, u kojem slučaju moć razlučivanja leće rješava probleme loše snimke.
Na primjer, kamera Basler acA1300-30um ima veličinu piksela od 3,75 x 3,75um i razlučivost od 1296 x 966 piksela. Veličina senzora je 3,75 µm x 1296 x 3,75 µm x 966=4,86 x 3,62 mm.
Format senzora odnosi se na fizičku veličinu i ne ovisi o veličini piksela. Ova se postavka koristi zaodrediti s kojim je objektivom fotoaparat kompatibilan. Da bi se podudarali, format leće mora biti veći ili jednak veličini senzora. Ako se koristi leća s manjim omjerom širine i visine, slika će doživjeti vinjetiranje. To uzrokuje da područja senzora izvan ruba formata leće postaju tamna.
Odabir piksela i kamere
Da biste vidjeli objekte na slici, između njih mora biti dovoljno prostora da se ne spoje sa susjednim pikselima, inače će se međusobno ne razlikovati. Ako su objekti svaki po jedan piksel, razmak između njih također mora biti barem jedan element, zahvaljujući tome nastaje par linija, koji zapravo ima dva piksela veličine. To je jedan od razloga zašto je netočno mjeriti razlučivost fotoaparata i objektiva u megapikselima.
Zapravo je lakše opisati mogućnosti razlučivanja sustava u smislu frekvencije para linija. Slijedi da kako se veličina piksela smanjuje, razlučivost se povećava jer možete staviti manje objekte na manje digitalne elemente, imati manje prostora između njih i još uvijek razriješiti udaljenost između subjekata koje snimate.
Ovo je pojednostavljeni model kako senzor kamere detektira objekte bez uzimanja u obzir buke ili drugih parametara, i idealna je situacija.
MTF kontrastne karte
Većina leća nisu savršeni optički sustavi. Svjetlost koja prolazi kroz leću podliježe određenom stupnju degradacije. Pitanje je kako to ocijenitidegradacija? Prije odgovora na ovo pitanje potrebno je definirati pojam "modulacije". Potonje je mjera kontrastne leće na danoj frekvenciji. Moglo bi se pokušati analizirati slike stvarnog svijeta snimljene kroz objektiv kako bi se odredila modulacija ili kontrast za detalje različitih veličina ili frekvencija (razmaka), ali to je vrlo nepraktično.
Umjesto toga, puno je lakše izmjeriti modulaciju ili kontrast za parove naizmjeničnih bijelih i tamnih linija. Zovu se pravokutna rešetka. Interval linija u pravokutnoj valnoj rešetki je frekvencija (v), za koju se modulacija ili funkcija kontrasta leće i razlučivost mjere u cm.
Maksimalna količina svjetlosti dolazi iz svijetlih pojaseva, a minimalna iz tamnih. Ako se svjetlost mjeri u smislu svjetline (L), modulacija se može odrediti prema sljedećoj jednadžbi:
modulacija=(Lmax - Lmin) / (Lmax + Lmin), gdje: Lmax je maksimalna svjetlina bijelih linija u rešetki, a Lmin je minimalna svjetlina tamnih.
Kada je modulacija definirana u smislu svjetlosti, često se naziva Michelsonov kontrast jer uzima omjer osvjetljenja od svijetlih i tamnih traka za mjerenje kontrasta.
Na primjer, postoji kvadratna valna rešetka određene frekvencije (v) i modulacije, te inherentni kontrast između tamnih i svijetlih područja koja se reflektiraju od ove rešetke kroz leću. Za zadanu frekvenciju mjeri se modulacija slike, a time i kontrast lećetrake (v).
Funkcija prijenosa modulacije (MTF) definirana je kao modulacija M i slike podijeljena s modulacijom podražaja (objekta) M o, kao što je prikazano u sljedećoj jednadžbi.
|
MTF (v)=M i / M 0 |
USF testne mreže ispisane su na 98% svijetlog laserskog papira. Toner za crni laserski pisač ima refleksiju od oko 10%. Dakle, vrijednost za M 0 iznosi 88%. No budući da film ima ograničeniji dinamički raspon u usporedbi s ljudskim okom, sigurno je pretpostaviti da je M 0 u biti 100% ili 1. Dakle, gornja se formula svodi na sljedeće jednostavna jednadžba:
|
MTF (v)=Mi |
Dakle, MTF objektiv za danu frekvenciju rešetke (v) je jednostavno izmjerena modulacija rešetke (Mi) kada se fotografira kroz objektiv na film.
rezolucija mikroskopa
Razlučivost objektiva mikroskopa najkraća je udaljenost između dvije različite točke u njegovom vidnom polju okulara koje se još uvijek mogu razlikovati kao različiti objekti.
Ako su dvije točke bliže jedna drugoj od vaše razlučivosti, izgledat će nejasno i njihova će pozicija biti netočna. Mikroskop može ponuditi veliko povećanje, ali ako su leće loše kvalitete, rezultirajuća loša rezolucija će pogoršati kvalitetu slike.
U nastavku je Abbeova jednadžba, gdje je rezolucijasnaga objektiva mikroskopa z je moć razlučivanja jednaka valnoj duljini korištene svjetlosti podijeljenoj s 2 (numerički otvor objektiva).
Nekoliko elemenata utječe na razlučivost mikroskopa. Optički mikroskop postavljen na veliko povećanje može proizvesti sliku koja je mutna, ali je i dalje pri maksimalnoj razlučivosti leće.
Digitalni otvor blende objektiva utječe na razlučivost. Moć razlučivanja objektiva mikroskopa je broj koji označava sposobnost leće da prikupi svjetlost i razriješi točku na fiksnoj udaljenosti od objektiva. Najmanja točka koju leća može razlučiti proporcionalna je valnoj duljini prikupljene svjetlosti podijeljenoj s brojčanim brojem otvora blende. Stoga veći broj odgovara većoj sposobnosti leće da detektira izvrsnu točku u vidnom polju. Numerički otvor leće također ovisi o količini korekcije optičke aberacije.
Rezolucija leće teleskopa
Poput svjetlosnog lijevka, teleskop može prikupiti svjetlost proporcionalno površini rupe, ovo svojstvo je glavna leća.
Promjer tamno prilagođene zjenice ljudskog oka je nešto ispod 1 centimetar, a promjer najvećeg optičkog teleskopa je 1000 centimetara (10 metara), tako da je najveći teleskop milijun puta veći u zbirci područje od ljudskog oka.
To je razlog zašto teleskopi vide blijeđe objekte od ljudi. I imati uređaje koji akumuliraju svjetlost pomoću elektroničkih senzora za detekciju mnogo sati.
Postoje dvije glavne vrste teleskopa: refraktori zasnovani na lećama i reflektori na bazi zrcala. Veliki teleskopi su reflektori jer ogledala ne moraju biti prozirna. Teleskopska ogledala su među najpreciznijim dizajnom. Dopuštena greška na površini je oko 1/1000 širine ljudske kose - kroz rupu od 10 metara.
Ogledala su se nekada izrađivala od ogromnih debelih staklenih ploča kako se ne bi spuštala. Današnja zrcala su tanka i fleksibilna, ali su računalno kontrolirana ili na neki drugi način segmentirana i usklađena pomoću računalne kontrole. Osim zadatka pronalaženja blijedih objekata, astronomu je cilj i vidjeti njihove fine detalje. Stupanj do kojeg se detalji mogu prepoznati naziva se razlučivost:
- Fuzzy slike=loša razlučivost.
- Jasne slike=dobra razlučivost.
Zbog valne prirode svjetlosti i pojava koje se nazivaju difrakcija, promjer zrcala ili leće teleskopa ograničava njegovu krajnju rezoluciju u odnosu na promjer teleskopa. Razlučivost ovdje znači najmanji kutni detalj koji se može prepoznati. Male vrijednosti odgovaraju izvrsnim detaljima slike.
Radio teleskopi moraju biti vrlo veliki da bi pružili dobru rezoluciju. Zemljina atmosfera jeturbulentne i zamućene slike teleskopa. Zemaljski astronomi rijetko mogu postići maksimalnu rezoluciju aparata. Turbulentni učinak atmosfere na zvijezdu naziva se vid. Ova turbulencija uzrokuje da zvijezde "trepere". Kako bi izbjegli ta atmosferska zamućenja, astronomi lansiraju teleskope u svemir ili ih postavljaju na visoke planine sa stabilnim atmosferskim uvjetima.
Primjeri izračuna parametara
Podaci za određivanje rezolucije objektiva Canon:
- Veličina piksela=3,45 µm x 3,45 µm.
- pikseli (V x V)=2448 x 2050.
- Željeno vidno polje (horizontalno)=100 mm.
- Ograničenje rezolucije senzora: 1000/2x3, 45=145 lp/mm.
- Dimenzije senzora:3,45x2448/1000=8,45 mm3, 45x2050/1000=7,07 mm.
- PMAG:8, 45/100=0,0845 mm.
- Mjerna rezolucija leće: 145 x 0,0845=12,25 lp/mm.
Zapravo, ovi izračuni su prilično složeni, ali će vam pomoći da napravite sliku na temelju veličine senzora, formata piksela, radne udaljenosti i vidnog polja u mm. Izračun ovih vrijednosti odredit će najbolji objektiv za vaše slike i primjenu.
Problemi moderne optike
Nažalost, udvostručenje veličine senzora stvara dodatne probleme za leće. Jedan od glavnih parametara koji utječu na cijenu slikovnog objektiva je format. Dizajniranje objektiva za senzor većeg formata zahtijevabrojne pojedinačne optičke komponente, koje bi trebale biti veće, a prijenos sustava čvršći.
Leća dizajnirana za senzor od 1" može koštati pet puta više od leće dizajnirana za senzor od ½" čak i ako ne može koristiti iste specifikacije s ograničenom razlučivosti piksela. Komponentu troškova treba razmotriti prije nego što za određivanje snage razlučivanja leće.
Optička slika danas se suočava s više izazova nego prije deset godina. Senzori s kojima se koriste imaju puno veće zahtjeve za razlučivost, a veličine formata istovremeno se pokreću i manje i veće, dok se veličina piksela nastavlja smanjivati.
U prošlosti, optika nikada nije ograničavala slikovni sustav, danas to čini. Gdje je tipična veličina piksela oko 9 µm, mnogo češća veličina je oko 3 µm. Ovo povećanje gustoće točaka od 81x uzelo je danak na optici, a iako je većina uređaja dobra, odabir objektiva sada je važniji nego ikad.
