Rezolucija je sposobnost slikovnog sistema da reprodukuje detalje objekta, i zavisi od faktora kao što su tip osvetljenja koji se koristi, veličina piksela senzora i mogućnosti optike. Što je manji detalj subjekta, veća je potrebna rezolucija objektiva.
Uvod u proces rješavanja
Kvalitet slike kamere zavisi od senzora. Jednostavno rečeno, digitalni senzor slike je čip unutar kućišta fotoaparata koji sadrži milione tačaka osjetljivih na svjetlost. Veličina senzora kamere određuje koliko svjetlosti se može koristiti za kreiranje slike. Što je veći senzor, to je bolji kvalitet 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 datom otvoru blende, jer veći pandan zahtijeva da se približiteobjekt ili koristite veću žižnu daljinu da popunite kadar. Da bi održao istu dubinu 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.
Podjelom broja horizontalnih ili vertikalnih piksela na senzoru pokazat će se koliko prostora svaki od njih zauzima na objektu i može se koristiti za procjenu moći razlučivanja objektiva i rješavanje zabrinutosti korisnika u vezi s veličinom piksela digitalne slike uređaja. Kao početnu tačku, važno je razumjeti šta zapravo može ograničiti rezoluciju sistema.
Ova izjava se može demonstrirati na primjeru para kvadrata na bijeloj pozadini. Ako se kvadrati na senzoru kamere mapiraju na susjedne piksele, tada će se na slici pojaviti kao jedan veliki pravougaonik (1a), a ne kao dva odvojena kvadrata (1b). Za razlikovanje kvadrata potreban je određeni razmak između njih, najmanje jedan piksel. Ova minimalna udaljenost je maksimalna rezolucija sistema. Apsolutna granica je određena veličinom piksela na senzoru, kao i njihovim brojem.
Mjerne karakteristike sočiva
Odnos između naizmjeničnih crnih i bijelih kvadrata je opisan kao linearni par. Obično je rezolucija određena frekvencijom,mjereno u parovima linija po milimetru - lp/mm. Nažalost, rezolucija objektiva u cm nije apsolutna brojka. U datoj rezoluciji, mogućnost da se dva kvadrata vide kao zasebni objekti zavisiće od nivoa sive skale. Što je veća siva skala razdvajanja između njih i prostora, to je stabilnija sposobnost rješavanja ovih kvadrata. Ova podjela sive skale je poznata kao kontrast frekvencije.
Prostorna frekvencija je data u lp/mm. Iz tog razloga, izračunavanje rezolucije u lp/mm je izuzetno korisno kada se upoređuje sočiva i određuje najbolji izbor za date senzore i aplikacije. Prvi je mjesto gdje počinje proračun rezolucije sistema. Počevši od senzora, lakše je odrediti koje su specifikacije objektiva potrebne da bi se ispunili zahtjevi uređaja ili drugih aplikacija. Najviša frekvencija koju dozvoljava senzor, Nyquist, je zapravo dva piksela ili jedan par linija.
Definicijska rezolucija sočiva, koja se naziva i rezolucija prostora sistemske slike, može se odrediti množenjem veličine u Μm sa 2 kako bi se stvorio par i dijeljenjem sa 1000 za pretvaranje u mm:
lp/mm=1000/ (2 X piksela)
Senzori sa većim pikselima će imati niže granice rezolucije. Senzori sa manjim pikselima će raditi bolje prema gornjoj formuli rezolucije sočiva.
Aktivno područje senzora
Možete izračunati maksimalnu rezoluciju objektagledanje. Da biste to učinili, potrebno je razlikovati indikatore 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, tačne proporcije će se razlikovati ovisno o odnosu širine i visine, a nominalne veličine senzora treba koristiti samo kao smjernicu, posebno za telecentrična sočiva i velika povećanja. Veličina senzora se može direktno izračunati iz veličine piksela i aktivnog broja piksela za izvođenje testa rezolucije sočiva.
Tabela pokazuje Nyquistovo ograničenje povezano s veličinama piksela koje se nalaze na nekim vrlo često korištenim senzorima.
| Veličina piksela (µm) | Upareni Nyquist limit (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, povezana Nyquistova granica u lp/mm proporcionalno raste. Da bi se odredila apsolutna minimalna rješiva tačka koja se može vidjeti na objektu, mora se izračunati omjer vidnog polja i veličine senzora. Ovo je također poznato kao primarna augmentacija.(PMAG) sistemi.
Odnos povezan sa sistemskim PMAG omogućava skaliranje rezolucije prostora slike. Obično, kada se dizajnira aplikacija, nije navedeno u lp/mm, već u mikronima (µm) ili frakcijama inča. Možete brzo skočiti na krajnju rezoluciju objekta koristeći gornju formulu kako biste lakše odabrali rezoluciju objektiva z. Također je važno imati na umu da postoji mnogo dodatnih faktora, a gornje ograničenje je mnogo manje sklono greškama od složenosti uzimanja u obzir mnogih faktora i njihovog izračunavanja pomoću jednačina.
Izračunajte žižnu daljinu
Rezolucija slike je broj piksela u njoj. Označen u dvije dimenzije, na primjer, 640X480. Proračuni se mogu vršiti zasebno za svaku dimenziju, ali se zbog jednostavnosti često svede na jednu. Da biste izvršili precizna mjerenja na slici, morate koristiti najmanje dva piksela za svaku najmanju oblast koju želite da otkrijete. Veličina senzora se odnosi na fizički indikator i u pravilu nije naznačena u podacima pasoša. Najbolji način da se odredi veličina senzora je da pogledate parametre piksela na njemu i pomnožite ga sa omjerom širine i visine, u kom slučaju moć razlučivanja objektiva rješava probleme lošeg snimka.
Na primjer, Basler acA1300-30um kamera ima veličinu piksela od 3,75 x 3,75 um i rezoluciju 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 se odnosi na fizičku veličinu i ne zavisi od veličine piksela. Ova postavka se koristi zaodredite s kojim je objektivom kamera kompatibilna. Da bi se poklapali, format objektiva mora biti veći ili jednak veličini senzora. Ako se koristi objektiv s manjim omjerom širine i visine, slika će doživjeti vinjetiranje. Ovo uzrokuje da područja senzora izvan ivice formata sočiva postanu 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 se neće moći razlikovati jedan od drugog. Ako su objekti svaki po jedan piksel, razmak između njih također mora biti barem jedan element, zahvaljujući tome se formira par linija, koji zapravo ima dva piksela veličine. Ovo je jedan od razloga zašto je netačno mjeriti rezoluciju kamera i objektiva u megapikselima.
Zapravo je lakše opisati rezolucionu sposobnost sistema u smislu frekvencije para linija. Iz toga slijedi da kako se veličina piksela smanjuje, rezolucija se povećava jer možete staviti manje objekte na manje digitalne elemente, imati manje prostora između njih, a i dalje riješiti udaljenost između subjekata koje snimate.
Ovo je pojednostavljeni model kako senzor kamere detektuje objekte bez uzimanja u obzir buke ili drugih parametara, i idealna je situacija.
MTF kontrastne karte
Većina sočiva nisu savršeni optički sistemi. Svetlost koja prolazi kroz sočivo prolazi kroz određeni stepen degradacije. Pitanje je kako to ocijenitidegradacija? Prije odgovora na ovo pitanje, potrebno je definirati pojam "modulacije". Ovo posljednje je mjera kontrasta sočiva na datoj frekvenciji. Moglo bi se pokušati analizirati slike stvarnog svijeta snimljene kroz sočivo kako bi se odredila modulacija ili kontrast za detalje različitih veličina ili frekvencija (razmaka), ali to je vrlo nepraktično.
Umjesto toga, mnogo je lakše izmjeriti modulaciju ili kontrast za parove naizmjeničnih bijelih i tamnih linija. Zovu se pravougaone rešetke. Interval linija u pravokutnoj talasnoj rešetki je frekvencija (v), za koju se modulacija ili funkcija kontrasta sočiva i rezolucija mjere u cm.
Maksimalna količina svjetlosti dolazi iz svijetlih traka, a minimalna iz tamnih traka. 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 definisana u smislu svjetlosti, često se naziva Michelsonov kontrast jer uzima omjer osvjetljenja od svijetlih i tamnih traka za mjerenje kontrasta.
Na primjer, postoji kvadratna talasna rešetka određene frekvencije (v) i modulacije, i inherentni kontrast između tamnih i svijetlih područja reflektiranih od ove rešetke kroz sočivo. Modulacija slike, a time i kontrast sočiva se mjeri za datu frekvencijušipke (v).
Funkcija prijenosa modulacije (MTF) je definirana kao modulacija M i slike podijeljena modulacijom stimulusa (objekta) M o, kao što je prikazano u sljedećoj jednačini.
|
MTF (v)=M i / M 0 |
USF testne mreže su štampane na 98% sjajnom laserskom papiru. Toner za crni laserski štampač ima refleksiju od oko 10%. Dakle, vrijednost za M 0 je 88%. Ali budući da film ima ograničeniji dinamički raspon u odnosu na ljudsko oko, sigurno je pretpostaviti da je M 0 u suštini 100% ili 1. Dakle, gornja formula se svodi na sljedeće jednostavna jednadžba:
|
MTF (v)=Mi |
Dakle, MTF sočivo za datu frekvenciju rešetke (v) je jednostavno izmjerena modulacija rešetke (Mi) kada se fotografiše kroz objektiv na film.
rezolucija mikroskopa
Rezolucija objektiva mikroskopa je najkraća udaljenost između dvije različite tačke u vidnom polju okulara koje se još uvijek mogu razlikovati kao različiti objekti.
Ako su dvije tačke bliže jedna drugoj od vaše rezolucije, izgledat će nejasno i njihove pozicije će biti netačne. Mikroskop može ponuditi veliko uvećanje, ali ako su sočiva lošeg kvaliteta, rezultirajuća loša rezolucija će pogoršati kvalitet slike.
U nastavku je Abbeova jednadžba, gdje je rezolucijaSnaga z sočiva mikroskopa je moć razlučivanja jednaka talasnoj dužini korištene svjetlosti podijeljenoj sa 2 (numerički otvor objektiva).
Nekoliko elemenata utiče na rezoluciju mikroskopa. Optički mikroskop postavljen na veliko uvećanje može proizvesti sliku koja je mutna, ali je i dalje na maksimalnoj rezoluciji sočiva.
Digitalni otvor blende objektiva utiče na rezoluciju. Rezoluciona moć objektiva mikroskopa je broj koji ukazuje na sposobnost sočiva da prikupi svetlost i razreši tačku na fiksnoj udaljenosti od objektiva. Najmanja tačka koju može razlučiti sočivo proporcionalna je talasnoj dužini sakupljene svjetlosti podijeljenoj s brojem numeričkog otvora blende. Dakle, veći broj odgovara većoj sposobnosti sočiva da detektuje odličnu tačku u vidnom polju. Numerička blenda sočiva takođe zavisi od količine korekcije optičke aberacije.
Rezolucija sočiva teleskopa
Poput svetlosnog levka, teleskop je u stanju da prikupi svetlost proporcionalno površini rupe, ovo svojstvo je glavno sočivo.
Prečnik tamno prilagođene zjenice ljudskog oka je nešto ispod 1 centimetar, a prečnik najvećeg optičkog teleskopa je 1.000 centimetara (10 metara), tako da je najveći teleskop milion puta veći u kolekciji područje od ljudskog oka.
To je razlog zašto teleskopi vide blijeđe objekte od ljudi. I imati uređaje koji akumuliraju svjetlost koristeći elektronske senzore za detekciju mnogo sati.
Postoje dva glavna tipa teleskopa: refraktori zasnovani na sočivima i reflektori zasnovani na ogledalu. Veliki teleskopi su reflektori jer ogledala ne moraju biti prozirna. Teleskopska ogledala su među najpreciznijim dizajnom. Dozvoljena greška na površini je oko 1/1000 širine ljudske kose - kroz rupu od 10 metara.
Ogledala su se nekada pravila od ogromnih debelih staklenih ploča kako se ne bi spuštala. Današnja ogledala su tanka i fleksibilna, ali su kompjuterski kontrolisana ili na drugi način segmentirana i poravnata kompjuterskom kontrolom. Pored zadatka pronalaženja blijedih objekata, astronomov cilj je i da vidi njihove fine detalje. Stepen do kojeg se detalji mogu prepoznati naziva se rezolucijom:
- Fuzzy slike=loša rezolucija.
- Jasne slike=dobra rezolucija.
Zbog talasne prirode svetlosti i pojava koje se nazivaju difrakcija, prečnik ogledala ili sočiva teleskopa ograničava njegovu krajnju rezoluciju u odnosu na prečnik teleskopa. Rezolucija ovdje znači najmanji kutni detalj koji se može prepoznati. Male vrijednosti odgovaraju odličnim detaljima slike.
Radio teleskopi moraju biti veoma veliki da bi pružili dobru rezoluciju. Zemljina atmosfera jeturbulentne i zamućene slike teleskopa. Zemaljski astronomi rijetko mogu postići maksimalnu rezoluciju aparata. Turbulentni efekat atmosfere na zvijezdu naziva se vid. Ova turbulencija uzrokuje da zvijezde "trepere". Da bi izbjegli ova atmosferska zamućenja, astronomi lansiraju teleskope u svemir ili ih postavljaju na visoke planine sa stabilnim atmosferskim uvjetima.
Primjeri izračunavanja parametara
Podaci za određivanje rezolucije Canon objektiva:
- Veličina piksela=3,45 µm x 3,45 µm.
- pikseli (V x V)=2448 x 2050.
- Željeno vidno polje (horizontalno)=100 mm.
- Granica 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 sočiva: 145 x 0,0845=12,25 lp/mm.
Zapravo, ovi proračuni su prilično složeni, ali će vam pomoći da kreirate sliku na osnovu veličine senzora, formata piksela, radne udaljenosti i vidnog polja u mm. Izračunavanje ovih vrijednosti će odrediti najbolji objektiv za vaše slike i primjenu.
Problemi moderne optike
Nažalost, udvostručenje veličine senzora stvara dodatne probleme za sočiva. 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 sistema čvršći.
Objektiv dizajniran za senzor od 1" može koštati pet puta više od objektiva dizajniran za senzor od ½" čak i ako ne može koristiti iste specifikacije sa ograničenom rezolucijom piksela. Komponentu troškova mora se razmotriti prije nego što za određivanje snage razlučivanja sočiva.
Optička slika danas se suočava sa više izazova nego prije deset godina. Senzori s kojima se koriste imaju mnogo veće zahtjeve za rezolucijom, a veličine formata se istovremeno pokreću i manje i veće, dok se veličina piksela nastavlja smanjivati.
U prošlosti, optika nikada nije ograničavala sistem za snimanje, danas jeste. Tamo gdje je tipična veličina piksela oko 9 µm, mnogo češća veličina je oko 3 µm. Ovo povećanje gustine tačaka od 81x uzelo je danak na optici, i iako je većina uređaja dobra, odabir sočiva je sada važniji nego ikad.
