Разделителната способност е способността на системата за изображения да възпроизвежда детайлите на обект и зависи от фактори като вида на използваното осветление, размера на пиксела на сензора и възможностите на оптиката. Колкото по-малък е детайлът на обекта, толкова по-висока е необходимата разделителна способност на обектива.
Въведение в процеса на разрешаване
Качеството на изображението на камерата зависи от сензора. Просто казано, сензорът за цифрово изображение е чип в корпуса на камерата, съдържащ милиони светлочувствителни петна. Размерът на сензора на камерата определя колко светлина може да се използва за създаване на изображение. Колкото по-голям е сензорът, толкова по-добро е качеството на изображението, тъй като се събира повече информация. Обикновено цифровите фотоапарати рекламират на пазара за сензори с размери от 16 mm, Super 35 mm, а понякога и до 65 mm.
С увеличаване на размера на сензора, дълбочината на полето ще намалее при дадена бленда, тъй като по-голям аналог изисква да се приближите дообект или използвайте по-голямо фокусно разстояние, за да запълните рамката. За да поддържа същата дълбочина на рязкост, фотографът трябва да използва по-малки диафрагми.
Тази плитка дълбочина на рязкост може да е желана, особено за постигане на размазване на фона при портретни снимки, но пейзажната фотография изисква повече дълбочина, която е по-лесна за заснемане с гъвкавия размер на блендата на компактните камери.
Разделянето на броя на хоризонталните или вертикалните пиксели на сензора ще покаже колко пространство заема всеки един върху обект и може да се използва за оценка на разделителната способност на обектива и разрешаване на притесненията на клиентите относно размера на пиксела на цифровото изображение на устройството. Като отправна точка е важно да разберете какво всъщност може да ограничи разделителната способност на системата.
Това твърдение може да се демонстрира с примера на двойка квадратчета на бял фон. Ако квадратите на сензора на камерата са съпоставени със съседни пиксели, тогава те ще се появят като един голям правоъгълник в изображението (1a), а не като два отделни квадрата (1b). За разграничаване на квадратите е необходимо определено пространство между тях, поне един пиксел. Това минимално разстояние е максималната разделителна способност на системата. Абсолютната граница се определя от размера на пикселите на сензора, както и техния брой.
Измерване на характеристиките на лещите
Връзката между редуващите се черни и бели квадрати се описва като линейна двойка. Обикновено разделителната способност се определя от честотата,измерено в двойки линии на милиметър - lp/mm. За съжаление, разделителната способност на обектива в cm не е абсолютно число. При дадена разделителна способност способността да се виждат двата квадрата като отделни обекти ще зависи от нивото на сивата скала. Колкото по-голямо е разделянето на сивата скала между тях и пространството, толкова по-стабилна е способността за разрешаване на тези квадрати. Това разделение на сивата скала е известно като честотен контраст.
Пространствената честота е дадена в lp/mm. Поради тази причина изчисляването на разделителна способност по отношение на lp/mm е изключително полезно при сравняване на лещи и определяне на най-добрия избор за дадени сензори и приложения. Първият е мястото, където започва изчисляването на разделителната способност на системата. Започвайки със сензора, е по-лесно да се определи какви спецификации на обектива са необходими, за да отговарят на изискванията на устройството или други приложения. Най-високата честота, разрешена от сензора, Nyquist, всъщност е два пиксела или една двойка линии.
Разделителната способност на обектива, наричана още разделителна способност на системното пространство на изображението, може да се определи чрез умножаване на размера в Μm по 2, за да се създаде двойка и разделяне на 1000 за преобразуване в mm:
lp/mm=1000/ (2 X пиксела)
Сензорите с по-големи пиксели ще имат по-ниски граници на разделителна способност. Сензорите с по-малки пиксели ще работят по-добре според формулата за разделителна способност на обектива по-горе.
Активна сензорна зона
Можете да изчислите максималната разделителна способност за обектагледане. За да направите това, е необходимо да се разграничат индикатори като съотношението между размера на сензора, зрителното поле и броя на пикселите на сензора. Размерът на последния се отнася до параметрите на активната зона на сензора на камерата, обикновено се определя от размера на неговия формат.
Въпреки това, точните пропорции ще варират в зависимост от съотношението на страните и номиналните размери на сензора трябва да се използват само като насока, особено за телецентрични обективи и големи увеличения. Размерът на сензора може да бъде директно изчислен от размера на пиксела и активния брой пиксели, за да се извърши тест за разделителна способност на обектива.
Таблицата показва ограничението на Найкуист, свързано с размерите на пикселите, намиращи се на някои много често използвани сензори.
| Размер на пиксела (µm) | Сдвоена граница на Найквист (lp / mm) |
| 1, 67 | 299, 4 |
| 2, 2 | 227, 3 |
| 3, 45 | 144, 9 |
| 4, 54 | 110, 1 |
| 5, 5 | 90, 9 |
Когато размерите на пикселите намаляват, свързаната граница на Найкуист в lp/mm се увеличава пропорционално. За да се определи абсолютното минимално разрешимо място, което може да се види върху обект, трябва да се изчисли съотношението на зрителното поле към размера на сензора. Това е известно още като първично увеличаване.(PMAG) системи.
Връзката, свързана със системата PMAG, позволява мащабиране на разделителната способност на пространството на изображението. Обикновено, когато се проектира приложение, то не се посочва в lp/mm, а по-скоро в микрони (µm) или части от инча. Можете бързо да преминете към крайната разделителна способност на обект, като използвате формулата по-горе, за да улесните избора на разделителна способност на обектива z. Също така е важно да се има предвид, че има много допълнителни фактори и горното ограничение е много по-малко податливо на грешки, отколкото сложността на отчитането на много фактори и изчисляването им с помощта на уравнения.
Изчисляване на фокусно разстояние
Разделителната способност на изображението е броят на пикселите в него. Обозначен в две измерения, например 640X480. Изчисленията могат да се правят отделно за всяко измерение, но за простота често се свежда до едно. За да направите точни измервания на изображение, трябва да използвате минимум два пиксела за всяка най-малка област, която искате да откриете. Размерът на сензора се отнася до физически индикатор и като правило не е посочен в паспортните данни. Най-добрият начин да определите размера на сензора е да разгледате параметрите на пиксела върху него и да го умножите по съотношението на страните, в който случай разделителната способност на обектива решава проблемите на лош кадър.
Например камерата Basler acA1300-30um има размер на пиксела от 3,75 x 3,75um и резолюция от 1296 x 966 пиксела. Размерът на сензора е 3,75 µm x 1296 на 3,75 µm x 966=4,86 x 3,62 mm.
Форматът на сензора се отнася до физическия размер и не зависи от размера на пиксела. Тази настройка се използва заопределете с кой обектив е съвместим фотоапаратът. За да съвпадат, форматът на обектива трябва да е по-голям или равен на размера на сензора. Ако се използва обектив с по-малко съотношение на страните, изображението ще има винетиране. Това причинява тъмни области на сензора извън ръба на формата на обектива.
Избор на пиксели и камера
За да видите обектите в изображението, трябва да има достатъчно пространство между тях, така че да не се слеят със съседни пиксели, в противен случай те ще бъдат неразличими един от друг. Ако обектите са по един пиксел, разделянето между тях също трябва да бъде поне един елемент, благодарение на това се образува двойка линии, която всъщност има два пиксела по размер. Това е една от причините, поради които е неправилно да се измерва разделителната способност на камерите и обективите в мегапиксели.
Всъщност е по-лесно да се опишат възможностите за разделителна способност на системата по отношение на честотата на линейните двойки. От това следва, че с намаляване на размера на пиксела, разделителната способност се увеличава, защото можете да поставите по-малки обекти върху по-малки цифрови елементи, да имате по-малко пространство между тях и все пак да разрешите разстоянието между обектите, които снимате.
Това е опростен модел на това как сензорът на камерата открива обекти, без да взема предвид шум или други параметри, и е идеалната ситуация.
MTF контрастни диаграми
Повечето лещи не са перфектни оптични системи. Светлината, преминаваща през леща, претърпява известна степен на деградация. Въпросът е как да се оцени товадеградация? Преди да се отговори на този въпрос, е необходимо да се дефинира понятието "модулация". Последният е мярка за контрастната леща при дадена честота. Човек може да се опита да анализира изображения от реалния свят, направени през обектив, за да определи модулацията или контраста за детайли с различни размери или честоти (разстояние), но това е много непрактично.
Вместо това е много по-лесно да се измери модулацията или контраста за двойки редуващи се бели и тъмни линии. Те се наричат правоъгълна решетка. Интервалът на линиите в решетка с правоъгълна вълна е честотата (v), за която функцията на модулация или контраст на обектива и разделителната способност се измерват в cm.
Максималното количество светлина ще идва от светлите ленти, а минималното от тъмните ленти. Ако светлината се измерва по отношение на яркостта (L), модулацията може да се определи според следното уравнение:
модулация=(Lmax - Lmin) / (Lmax + Lmin), където: Lmax е максималната яркост на белите линии в решетката, а Lmin е минималната яркост на тъмните.
Когато модулацията се дефинира по отношение на светлината, тя често се нарича контраст на Майкелсон, защото взема отношението на осветеността от светли и тъмни ленти за измерване на контраста.
Например, има решетка с квадратна вълна с определена честота (v) и модулация и присъщ контраст между тъмните и светлите области, отразени от тази решетка през лещата. Модулацията на изображението и по този начин контрастът на лещата се измерва за дадена честотабарове (v).
Преносната функция на модулацията (MTF) се дефинира като модулация M i на изображението, разделена на модулацията на стимула (обекта) M o, както е показано в следното уравнение.
|
MTF (v)=M i / M 0 |
USF тестовите решетки са отпечатани върху 98% ярка лазерна хартия. Черният тонер за лазерен принтер има отражение от около 10%. Така стойността за M 0 е 88%. Но тъй като филмът има по-ограничен динамичен обхват в сравнение с човешкото око, безопасно е да се предположи, че M 0 е по същество 100% или 1. Така че горната формула се свежда до следното повече просто уравнение:
|
MTF (v)=Mi |
Така че MTF обективът за дадена честота на решетката (v) е просто измерената модулация на решетката (Mi), когато се снима през обектив върху филм.
Разделителна способност на микроскоп
Разделителната способност на обектива на микроскопа е най-краткото разстояние между две отделни точки в зрителното поле на окуляра, които все още могат да бъдат разграничени като различни обекти.
Ако две точки са по-близо една до друга от вашата резолюция, те ще изглеждат размити и техните позиции ще бъдат неточни. Микроскопът може да предлага голямо увеличение, но ако лещите са с лошо качество, получената лоша разделителна способност ще влоши качеството на изображението.
По-долу е уравнението на Абе, където разделителната способностСилата на z-лещата на микроскопа е разделителната способност, равна на дължината на вълната на използваната светлина, разделена на 2 (числовата апертура на обектива).
Няколко елемента влияят на разделителната способност на микроскопа. Оптичен микроскоп, настроен при голямо увеличение, може да създаде изображение, което е замъглено, но все пак е с максималната разделителна способност на обектива.
Дигиталната бленда на обектива влияе върху разделителната способност. Разделителната способност на обектива на микроскопа е число, което показва способността на лещата да събира светлина и да разрешава точка на фиксирано разстояние от обектива. Най-малката точка, която може да бъде разделена от обектива, е пропорционална на дължината на вълната на събраната светлина, разделена на числото на числовата апертура. Следователно, по-голямо число съответства на по-голяма способност на обектива да открие отлична точка в зрителното поле. Числовата апертура на обектива също зависи от размера на корекцията на оптичната аберация.
Разделителна способност на обектива на телескопа
Като светлинна фуния, телескопът е в състояние да събира светлина пропорционално на площта на отвора, това свойство е основната леща.
Диаметърът на тъмната адаптирана зеница на човешкото око е малко под 1 сантиметър, а диаметърът на най-големия оптичен телескоп е 1000 сантиметра (10 метра), така че най-големият телескоп е един милион пъти по-голям в колекцията площ от човешкото око.
Ето защо телескопите виждат по-бледи обекти от хората. И разполагайте с устройства, които акумулират светлина, използвайки електронни сензори за откриване в продължение на много часове.
Има два основни типа телескопи: базирани на лещи рефрактори и базирани на огледала рефлектори. Големите телескопи са рефлектори, защото огледалата не трябва да са прозрачни. Телескопните огледала са сред най-прецизните дизайни. Допустимата грешка на повърхността е около 1/1000 ширината на човешка коса - през 10-метрова дупка.
Огледалата се правеха от огромни дебели стъклени плочи, за да не се провисват. Днешните огледала са тънки и гъвкави, но са компютърно контролирани или по друг начин сегментирани и подравнени от компютърно управление. В допълнение към задачата за намиране на бледи обекти, целта на астронома е и да види техните фини детайли. Степента, до която детайлите могат да бъдат разпознати, се нарича разделителна способност:
- Размити изображения=лоша разделителна способност.
- Ясни изображения=добра разделителна способност.
Поради вълновата природа на светлината и явленията, наречени дифракция, диаметърът на огледалото или лещата на телескопа ограничава неговата крайна разделителна способност спрямо диаметъра на телескопа. Разделителната способност тук означава най-малкия ъглов детайл, който може да бъде разпознат. Малките стойности отговарят на отлична детайлност на изображението.
Радиотелескопите трябва да са много големи, за да осигурят добра разделителна способност. Земната атмосфера етурбулентни и замъгляващи изображения от телескопа. Земните астрономи рядко могат да достигнат максималната разделителна способност на апарата Турбулентният ефект на атмосферата върху звезда се нарича зрение. Тази турбуленция кара звездите да "блестят". За да избегнат тези атмосферни замъглявания, астрономите изстрелват телескопи в космоса или ги поставят на високи планини със стабилни атмосферни условия.
Примери за изчисляване на параметри
Данни за определяне на разделителната способност на обектива Canon:
- Размер на пиксела=3,45 µm x 3,45 µm.
- Пиксели (H x V)=2448 x 2050.
- Желано зрително поле (хоризонтално)=100 mm.
- Ограничение на разделителна способност на сензора: 1000/2x3, 45=145 lp / mm.
- Размери на сензора:3,45x2448/1000=8,45 mm3, 45x2050/1000=7,07 mm.
- PMAG:8, 45/100=0,0845 mm.
- Разделителна способност за измерване на обектива: 145 x 0,0845=12,25 lp/mm.
Всъщност тези изчисления са доста сложни, но ще ви помогнат да създадете изображение въз основа на размера на сензора, формата на пиксела, работното разстояние и зрителното поле в мм. Изчисляването на тези стойности ще определи най-добрия обектив за вашите изображения и приложение.
Проблеми на съвременната оптика
За съжаление, удвояването на размера на сензора създава допълнителни проблеми за обективите. Един от основните параметри, влияещи върху цената на обектива за изображение, е форматът. Проектирането на обектив за сензор с по-голям формат изисквамножество отделни оптични компоненти, които трябва да са по-големи и трансферът на системата по-твърд.
Обектив, предназначен за 1" сензор, може да струва пет пъти повече от обектив, предназначен за ½" сензор, дори ако не може да използва същите спецификации с ограничена резолюция на пикселите. Разходният компонент трябва да се обмисли преди как за определяне на разделителната способност на обектив.
Оптичните изображения днес са изправени пред повече предизвикателства, отколкото преди десетилетие. Сензорите, с които се използват, имат много по-високи изисквания за разделителна способност и размерите на форматите едновременно се управляват както по-малки, така и по-големи, докато размерът на пикселите продължава да се свива.
В миналото оптиката никога не е ограничавала системата за изображения, днес го прави. Когато типичният размер на пиксела е около 9 µm, много по-често срещаният размер е около 3 µm. Това 81-кратно увеличение на плътността на точките се отрази на оптиката и въпреки че повечето устройства са добри, изборът на обективи сега е по-важен от всякога.
