Izšķirtspēja ir attēlveidošanas sistēmas spēja reproducēt objekta detaļas, un tā ir atkarīga no tādiem faktoriem kā izmantotā apgaismojuma veids, sensora pikseļu izmērs un optikas iespējas. Jo mazāka ir objekta detaļa, jo augstāka ir nepieciešamā objektīva izšķirtspēja.
Ievads risināšanas procesā
Kameras attēla kvalitāte ir atkarīga no sensora. Vienkārši sakot, digitālais attēla sensors ir mikroshēma kameras korpusā, kurā ir miljoniem gaismas jutīgu punktu. Kameras sensora izmērs nosaka, cik daudz gaismas var izmantot attēla izveidošanai. Jo lielāks ir sensors, jo labāka attēla kvalitāte, jo tiek savākta vairāk informācijas. Parasti digitālās kameras tirgū reklamē sensoru izmērus 16 mm, Super 35 mm un dažreiz līdz 65 mm.
Palielinoties sensora izmēram, lauka dziļums noteiktā diafragmas atvērumā samazināsies, jo lielākam ekvivalentam jums ir jātuvojasobjektu vai izmantojiet lielāku fokusa attālumu, lai aizpildītu kadru. Lai saglabātu vienādu lauka dziļumu, fotogrāfam ir jāizmanto mazākas apertūras.
Šis sekls lauka dziļums var būt vēlams, jo īpaši, lai panāktu fona izplūšanu portretiem, taču ainavu fotografēšanai nepieciešams lielāks dziļums, ko ir vieglāk tvert, izmantojot kompakto kameru elastīgo diafragmas izmēru.
Sensora horizontālo vai vertikālo pikseļu skaita dalīšana norādīs, cik daudz vietas katrs aizņem objektā, un to var izmantot, lai novērtētu objektīva izšķirtspējas jaudu un atrisinātu klientu bažas par ierīces digitālā attēla pikseļu izmēru. Sākumā ir svarīgi saprast, kas faktiski var ierobežot sistēmas izšķirtspēju.
Šo apgalvojumu var demonstrēt ar piemēru ar kvadrātu pāri uz b alta fona. Ja kameras sensora kvadrāti ir kartēti ar blakus esošajiem pikseļiem, tie attēlā parādīsies kā viens liels taisnstūris (1a), nevis divi atsevišķi kvadrāti (1b). Lai atšķirtu kvadrātus, starp tiem ir nepieciešama noteikta atstarpe, vismaz viens pikselis. Šis minimālais attālums ir sistēmas maksimālā izšķirtspēja. Absolūto ierobežojumu nosaka sensora pikseļu lielums, kā arī to skaits.
Lēcu raksturlielumu mērīšana
Attiecības starp mainīgiem melnajiem un b altajiem kvadrātiem ir aprakstītas kā lineārs pāris. Parasti izšķirtspēju nosaka biežums,mēra līniju pāros uz milimetru - lp/mm. Diemžēl objektīva izšķirtspēja cm nav absolūts skaitlis. Pie noteiktas izšķirtspējas iespēja redzēt divus kvadrātus kā atsevišķus objektus būs atkarīga no pelēkās skalas līmeņa. Jo lielāka ir pelēko skalu atdalīšana starp tiem un telpu, jo stabilāka ir iespēja atrisināt šos kvadrātus. Šis pelēkās skalas dalījums ir pazīstams kā frekvences kontrasts.
Telpiskā frekvence ir norādīta lp/mm. Šī iemesla dēļ izšķirtspējas aprēķināšana lp/mm izteiksmē ir ļoti noderīga, salīdzinot objektīvus un nosakot labāko izvēli konkrētiem sensoriem un lietojumiem. Pirmā ir vieta, kur sākas sistēmas izšķirtspējas aprēķins. Sākot ar sensoru, ir vieglāk noteikt, kādas objektīva specifikācijas ir nepieciešamas, lai atbilstu ierīces vai citu lietojumprogrammu prasībām. Augstākā frekvence, ko pieļauj sensors Nyquist, faktiski ir divi pikseļi vai viens līniju pāris.
Definīcijas objektīva izšķirtspēju, ko sauc arī par sistēmas attēla telpas izšķirtspēju, var noteikt, reizinot izmēru Μm ar 2, lai izveidotu pāri, un dalot ar 1000, lai pārvērstu par mm:
lp/mm=1000/ (2 x pikseļi)
Sensoriem ar lielākiem pikseļiem būs zemāki izšķirtspējas ierobežojumi. Sensori ar mazākiem pikseļiem darbosies labāk saskaņā ar iepriekš minēto objektīva izšķirtspējas formulu.
Aktīvais sensora apgabals
Varat aprēķināt objekta maksimālo izšķirtspējuskatīšanās. Lai to izdarītu, ir jānošķir tādi indikatori kā attiecība starp sensora izmēru, redzes lauku un sensora pikseļu skaitu. Pēdējā lielums attiecas uz kameras sensora aktīvās zonas parametriem, ko parasti nosaka tā formāta lielums.
Tomēr precīzas proporcijas atšķirsies atkarībā no malu attiecības, un nominālie sensora izmēri ir jāizmanto tikai kā vadlīnijas, īpaši telecentriskām lēcām un lielam palielinājumam. Sensora izmēru var tieši aprēķināt no pikseļu izmēra un aktīvā pikseļu skaita, lai veiktu objektīva izšķirtspējas pārbaudi.
Tabulā parādīts Nyquist ierobežojums, kas saistīts ar pikseļu izmēriem, kas atrodami dažos ļoti bieži lietotos sensoros.
| Pikseļu izmērs (µm) | Savienots Nyquist ierobežojums (lp/mm) |
| 1, 67 | 299, 4 |
| 2, 2 | 227, 3 |
| 3, 45 | 144, 9 |
| 4, 54 | 110, 1 |
| 5, 5 | 90, 9 |
Pikseļu izmēram samazinoties, saistītais Nyquist limits lp/mm proporcionāli palielinās. Lai noteiktu absolūto minimālo atrisināmo punktu, ko var redzēt uz objekta, ir jāaprēķina redzes lauka attiecība pret sensora izmēru. To sauc arī par primāro palielināšanu.(PMAG) sistēmas.
Ar sistēmas PMAG saistītās attiecības ļauj mērogot attēla telpas izšķirtspēju. Parasti, izstrādājot lietojumu, tas netiek norādīts lp/mm, bet gan mikronos (µm) vai collas daļās. Varat ātri pāriet uz objekta maksimālo izšķirtspēju, izmantojot iepriekš minēto formulu, lai atvieglotu objektīva izšķirtspējas z izvēli. Ir arī svarīgi paturēt prātā, ka ir daudz papildu faktoru, un iepriekš minētais ierobežojums ir daudz mazāk pakļauts kļūdām nekā sarežģītība, ņemot vērā daudzus faktorus un tos aprēķinot, izmantojot vienādojumus.
Aprēķināt fokusa attālumu
Attēla izšķirtspēja ir tajā esošo pikseļu skaits. Apzīmēts divās dimensijās, piemēram, 640X480. Aprēķinus var veikt katrai dimensijai atsevišķi, taču vienkāršības labad tas bieži tiek samazināts līdz vienam. Lai veiktu precīzus attēla mērījumus, katram mazākajam laukumam, kuru vēlaties noteikt, ir jāizmanto vismaz divi pikseļi. Sensora izmērs attiecas uz fizisku indikatoru un, kā likums, nav norādīts pases datos. Labākais veids, kā noteikt sensora izmēru, ir aplūkot tā pikseļu parametrus un reizināt to ar malu attiecību, un tādā gadījumā objektīva izšķirtspēja atrisina problēmas ar sliktu kadru.
Piemēram, kameras Basler acA1300-30um pikseļu izmērs ir 3,75 x 3,75 um un izšķirtspēja 1296 x 966 pikseļi. Sensora izmērs ir 3,75
Sensora formāts attiecas uz fizisko izmēru un nav atkarīgs no pikseļa izmēra. Šis iestatījums tiek izmantotsnoteikt, ar kuru objektīvu kamera ir saderīga. Lai tie atbilstu, objektīva formātam ir jābūt lielākam par sensora izmēru vai vienādam ar to. Ja tiek izmantots objektīvs ar mazāku malu attiecību, attēls piedzīvos vinjetes. Tādējādi sensora apgabali ārpus objektīva formāta malām kļūst tumši.
Pikseļi un kameras izvēle
Lai attēlā redzētu objektus, starp tiem jābūt pietiekami daudz vietas, lai tie nesaplūstu ar blakus esošajiem pikseļiem, pretējā gadījumā tos nevarēs atšķirt viens no otra. Ja objekti ir katrs pa vienam pikselim, arī attālumam starp tiem jābūt vismaz vienam elementam, tieši pateicoties tam veidojas līniju pāris, kura izmērs faktiski ir divi pikseļi. Tas ir viens no iemesliem, kāpēc nav pareizi izmērīt kameru un objektīvu izšķirtspēju megapikseļos.
Patiesībā ir vieglāk aprakstīt sistēmas izšķirtspējas iespējas līniju pāru frekvences izteiksmē. No tā izriet, ka, pikseļu izmēram samazinoties, izšķirtspēja palielinās, jo varat novietot mazākus objektus uz mazākiem digitālajiem elementiem, starp tiem ir mazāk vietas un joprojām nosaka attālumu starp fotografējamajiem objektiem.
Šis ir vienkāršots modelis tam, kā kameras sensors nosaka objektus, neņemot vērā troksni vai citus parametrus, un ir ideāla situācija.
MTF kontrasta diagrammas
Lielākā daļa objektīvu nav ideālas optiskās sistēmas. Gaisma, kas iziet cauri objektīvam, tiek pakļauta noteiktai degradācijas pakāpei. Jautājums ir, kā to novērtētdegradācija? Pirms atbildēt uz šo jautājumu, ir jādefinē jēdziens "modulācija". Pēdējais ir kontrasta lēcas mērs noteiktā frekvencē. Var mēģināt analizēt reālās pasaules attēlus, kas uzņemti ar objektīvu, lai noteiktu modulāciju vai kontrastu dažāda izmēra vai frekvenču detaļām (atstarpes), taču tas ir ļoti nepraktiski.
Tā vietā ir daudz vieglāk izmērīt modulāciju vai kontrastu mainīgu b altu un tumšu līniju pāriem. Tos sauc par taisnstūrveida režģi. Līniju intervāls taisnstūra viļņu režģī ir frekvence (v), kurai objektīva modulācijas vai kontrasta funkcija un izšķirtspēja tiek mērīta cm.
Maksimālais gaismas daudzums nāks no gaišajām joslām, bet minimālais no tumšajām joslām. Ja gaismu mēra kā spilgtumu (L), modulāciju var noteikt saskaņā ar šādu vienādojumu:
modulācija=(Lmax - Lmin) / (Lmax + Lmin), kur: Lmax ir maksimālais b alto līniju spilgtums režģī, un Lmin ir minimālais tumšo līniju spilgtums.
Kad modulācija tiek definēta gaismas izteiksmē, to bieži dēvē par Miķelsona kontrastu, jo kontrasta mērīšanai tiek izmantota gaišās un tumšās joslas spilgtuma attiecība.
Piemēram, ir noteiktas frekvences (v) kvadrātveida viļņu režģis un modulācija, kā arī raksturīgs kontrasts starp tumšajām un gaišajām zonām, kas atspoguļojas no šī režģa caur objektīvu. Attēla modulācija un tādējādi objektīva kontrasts tiek mērīts noteiktai frekvenceijoslas (v).
Modulācijas pārsūtīšanas funkcija (MTF) ir definēta kā attēla modulācija M i, dalīta ar stimula (objekta) modulāciju M o, kā parādīts nākamajā vienādojumā.
|
MTF (v)=M i / M 0 |
USF testa režģi ir drukāti uz 98% spilgta lāzerpapīra. Melnā lāzerprintera tonera atstarošana ir aptuveni 10%. Tātad M 0 vērtība ir 88%. Taču, tā kā filmai ir ierobežotāks dinamiskais diapazons salīdzinājumā ar cilvēka aci, var droši pieņemt, ka M 0 būtībā ir 100% vai 1. Tātad iepriekš sniegtā formula ir šāda. vienkāršs vienādojums:
|
MTF (v)=Mi |
Tātad MTF objektīvs noteiktai režģa frekvencei (v) ir vienkārši izmērītā režģa modulācija (Mi), fotografējot caur objektīvu uz filmas.
Mikroskopa izšķirtspēja
Mikroskopa objektīva izšķirtspēja ir mazākais attālums starp diviem atšķirīgiem punktiem tā okulāra redzes laukā, kurus joprojām var atšķirt kā dažādus objektus.
Ja divi punkti atrodas tuvāk viens otram nekā jūsu izšķirtspēja, tie šķitīs izplūduši un to izvietojums būs neprecīzs. Mikroskops var nodrošināt lielu palielinājumu, taču, ja objektīvi ir sliktas kvalitātes, rezultātā sliktā izšķirtspēja pasliktinās attēla kvalitāti.
Zemāk ir Abbe vienādojums, kur izšķirtspējamikroskopa objektīva jauda z ir izšķirtspēja, kas vienāda ar izmantotās gaismas viļņa garumu, kas dalīts ar 2 (objektīva skaitliskā apertūra).
Vairāki elementi ietekmē mikroskopa izšķirtspēju. Optiskais mikroskops, kas iestatīts ar lielu palielinājumu, var radīt attēlu, kas ir izplūdis, tomēr tas joprojām ir ar objektīva maksimālo izšķirtspēju.
Objektīva digitālā apertūra ietekmē izšķirtspēju. Mikroskopa objektīva izšķirtspēja ir skaitlis, kas norāda objektīva spēju savākt gaismu un izšķirt punktu noteiktā attālumā no objektīva. Mazākais punkts, ko var atrisināt ar objektīvu, ir proporcionāls savāktās gaismas viļņa garumam, kas dalīts ar skaitlisko apertūras skaitli. Tāpēc lielāks skaitlis atbilst lielākai objektīva spējai noteikt izcilu punktu skata laukā. Lēcas skaitliskā apertūra ir atkarīga arī no optiskās aberācijas korekcijas apjoma.
Teleskopa objektīva izšķirtspēja
Tāpat kā gaismas piltuve, teleskops spēj savākt gaismu proporcionāli cauruma laukumam, šis īpašums ir galvenais objektīvs.
Cilvēka acs tumši pielāgotā zīlītes diametrs ir nedaudz mazāks par 1 centimetru, bet lielākā optiskā teleskopa diametrs ir 1000 centimetru (10 metri), tādējādi lielākais teleskops ir vienu miljonu reižu lielāks. platība nekā cilvēka acs.
Tāpēc teleskopi redz vājākus objektus nekā cilvēki. Un ir ierīces, kas daudzas stundas akumulē gaismu, izmantojot elektroniskos noteikšanas sensorus.
Ir divi galvenie teleskopu veidi: refraktori uz lēcām un atstarotāji uz spoguļiem. Lielie teleskopi ir atstarotāji, jo spoguļiem nav jābūt caurspīdīgiem. Teleskopu spoguļi ir vieni no precīzākajiem dizainiem. Pieļaujamā kļūda uz virsmas ir aptuveni 1/1000 cilvēka mata platuma - caur 10 metru caurumu.
Spoguļi agrāk tika izgatavoti no milzīgām biezām stikla plāksnēm, lai tie nenoslīdētu. Mūsdienu spoguļi ir plāni un elastīgi, taču tos kontrolē dators vai citādi segmentē un izlīdzina ar datora vadību. Papildus uzdevumam atrast vājus objektus, astronoma mērķis ir arī redzēt to smalkās detaļas. Detaļu atpazīšanas pakāpi sauc par izšķirtspēju:
- Izplūduši attēli=slikta izšķirtspēja.
- Skaidri attēli=laba izšķirtspēja.
Ņemot vērā gaismas viļņu raksturu un parādības, ko sauc par difrakciju, teleskopa spoguļa vai lēcas diametrs ierobežo tā galīgo izšķirtspēju attiecībā pret teleskopa diametru. Izšķirtspēja šeit nozīmē mazāko leņķisko detaļu, ko var atpazīt. Mazas vērtības atbilst izcilai attēla detaļai.
Radioteleskopiem jābūt ļoti lieliem, lai nodrošinātu labu izšķirtspēju. Zemes atmosfēra irnemierīgi un izplūduši teleskopa attēli. Sauszemes astronomi reti var sasniegt maksimālo aparāta izšķirtspēju. Atmosfēras nemierīgo ietekmi uz zvaigzni sauc par redzi. Šī turbulence liek zvaigznēm "mirdzēt". Lai izvairītos no šiem atmosfēras izplūdumiem, astronomi palaiž kosmosā teleskopus vai novieto tos augstos kalnos ar stabiliem atmosfēras apstākļiem.
Parametru aprēķina piemēri
Dati Canon objektīva izšķirtspējas noteikšanai:
- Pikseļa izmērs=3,45 µm x 3,45.
- Pikseļi (A x V)=2448 x 2050.
- Vēlamais redzes lauks (horizontāls)=100 mm.
- Sensora izšķirtspējas ierobežojums: 1000/2x3, 45=145 lp/mm.
- Sensora izmēri: 3,45x2448/1000=8,45 mm3, 45x2050/1000=7,07 mm.
- PMAG:8, 45/100=0,0845 mm.
- Mērīšanas objektīva izšķirtspēja: 145 x 0,0845=12,25 lp/mm.
Patiesībā šie aprēķini ir diezgan sarežģīti, taču tie palīdzēs izveidot attēlu, pamatojoties uz sensora izmēru, pikseļu formātu, darba attālumu un redzes lauku milimetros. Aprēķinot šīs vērtības, tiks noteikts vislabākais objektīvs jūsu attēliem un lietojumam.
Mūsdienu optikas problēmas
Diemžēl sensora izmēra dubultošana rada papildu problēmas objektīviem. Viens no galvenajiem parametriem, kas ietekmē attēla objektīva izmaksas, ir formāts. Nepieciešama objektīva projektēšana lielāka formāta sensoramdaudzi atsevišķi optiskie komponenti, kuriem jābūt lielākiem un sistēmas pārsūtīšanai stingrākai.
Objektīvs, kas paredzēts 1" sensoram, var maksāt piecas reizes vairāk nekā objektīvs, kas paredzēts ½" sensoram, pat ja tas nevar izmantot tās pašas specifikācijas ar ierobežotu pikseļu izšķirtspēju. Izmaksu komponents ir jāņem vērā, pirms lai noteiktu objektīva izšķirtspēju.
Optiskā attēlveidošana mūsdienās saskaras ar vairāk izaicinājumu nekā pirms desmit gadiem. Sensoriem, ar kuriem tie tiek izmantoti, ir daudz augstākas izšķirtspējas prasības, un formāta izmēri vienlaikus tiek samazināti un palielināti, savukārt pikseļu izmērs turpina samazināties.
Agrāk optika nekad neierobežoja attēlveidošanas sistēmu, šodien tā ir. Ja tipisks pikseļa izmērs ir aptuveni 9 µm, daudz biežāk sastopams izmērs ir aptuveni 3 µm. Šis 81 reizes palielinājums punktu blīvumam ir ietekmējis optiku, un, lai gan lielākā daļa ierīču ir labas, objektīva izvēle tagad ir svarīgāka nekā jebkad agrāk.
