Ločljivost je sposobnost slikovnega sistema, da reproducira podrobnosti predmeta, in je odvisna od dejavnikov, kot so vrsta uporabljene osvetlitve, velikost slikovnih pik senzorja in zmogljivosti optike. Manjša kot je podrobnost motiva, višja je zahtevana ločljivost objektiva.
Uvod v postopek reševanja
Kakovost slike kamere je odvisna od senzorja. Preprosto povedano, digitalni slikovni senzor je čip v ohišju fotoaparata, ki vsebuje milijone svetlobno občutljivih točk. Velikost senzorja kamere določa, koliko svetlobe je mogoče uporabiti za ustvarjanje slike. Večji kot je senzor, boljša je kakovost slike, saj se zbere več informacij. Običajno se digitalni fotoaparati na trgu oglašujejo za senzorje velikosti 16 mm, Super 35 mm in včasih do 65 mm.
Ko se velikost senzorja povečuje, se globinska ostrina pri določeni zaslonki zmanjša, saj večji dvojnik zahteva, da se približatepredmet ali uporabite daljšo goriščno razdaljo, da zapolnite okvir. Za ohranitev enake globinske ostrine mora fotograf uporabljati manjše zaslonke.
Ta majhna globinska ostrina je morda zaželena, zlasti za doseganje zameglitve ozadja pri portretiranju, vendar krajinska fotografija zahteva več globine, ki jo je lažje zajeti s prilagodljivo velikostjo zaslonke kompaktnih fotoaparatov.
Deljenje števila vodoravnih ali navpičnih slikovnih pik na senzorju bo pokazalo, koliko prostora vsak zaseda na predmetu, in se lahko uporablja za oceno ločljivosti leče in razrešitev pomislekov strank glede velikosti slikovnih pik digitalne slike naprave. Za izhodišče je pomembno razumeti, kaj lahko dejansko omeji ločljivost sistema.
To izjavo je mogoče prikazati na primeru para kvadratov na belem ozadju. Če so kvadrati na senzorju kamere preslikani v sosednje slikovne pike, bodo na sliki prikazani kot en velik pravokotnik (1a) in ne kot dva ločena kvadrata (1b). Za razlikovanje kvadratov je med njimi potreben določen prostor, vsaj en piksel. Ta najmanjša razdalja je največja ločljivost sistema. Absolutna meja je določena z velikostjo slikovnih pik na senzorju, pa tudi z njihovim številom.
Merjenje značilnosti leče
Razmerje med izmeničnimi črnimi in belimi kvadratki je opisano kot linearni par. Običajno je ločljivost določena s frekvenco,merjeno v parih črt na milimeter - lp/mm. Žal ločljivost leče v cm ni absolutna številka. Pri določeni ločljivosti bo zmožnost videnja dveh kvadratov kot ločenih predmetov odvisna od stopnje sive lestvice. Večja kot je sivina ločitev med njimi in prostorom, bolj stabilna je zmožnost razreševanja teh kvadratov. Ta delitev sive lestvice je znana kot frekvenčni kontrast.
Prostorska frekvenca je podana v lp/mm. Iz tega razloga je izračun ločljivosti v smislu lp/mm izjemno uporaben pri primerjavi leč in določanju najboljše izbire za dane senzorje in aplikacije. Prvi je tam, kjer se začne izračun ločljivosti sistema. Začenši s senzorjem, je lažje določiti, katere specifikacije leč so potrebne za izpolnjevanje zahtev naprave ali drugih aplikacij. Najvišja frekvenca, ki jo dovoljuje senzor, Nyquist, je dejansko dve slikovni piki ali en par vrstic.
Definicijska ločljivost objektiva, imenovana tudi ločljivost prostora sistemske slike, se lahko določi tako, da velikost v Μm pomnožite z 2, da ustvarite par, in delite s 1000, da pretvorite v mm:
lp/mm=1000/ (2 X slikovnih pik)
Senzorji z večjimi slikovnimi pikami bodo imeli nižje omejitve ločljivosti. Senzorji z manjšimi slikovnimi pikami bodo delovali bolje glede na zgornjo formulo ločljivosti objektiva.
Aktivno senzorsko območje
Izračunate lahko največjo ločljivost objektaogledovanje. Za to je treba razlikovati med indikatorji, kot je razmerje med velikostjo senzorja, vidnim poljem in številom slikovnih pik na senzorju. Velikost slednjega se nanaša na parametre aktivnega območja senzorja kamere, običajno določeno z velikostjo njegovega formata.
Vendar se bodo natančna razmerja razlikovala glede na razmerje stranic, nazivne velikosti senzorjev pa je treba uporabljati le kot vodilo, zlasti za telecentrične leče in velike povečave. Velikost senzorja je mogoče neposredno izračunati iz velikosti slikovnih pik in aktivnega števila slikovnih pik za izvedbo preizkusa ločljivosti leče.
Tabela prikazuje Nyquistovo mejo, povezano z velikostmi slikovnih pik, ki jih najdemo na nekaterih zelo pogosto uporabljenih senzorjih.
| Velikost slikovnih pik (µm) | Spojena Nyquistova meja (lp/mm) |
| 1, 67 | 299, 4 |
| 2, 2 | 227, 3 |
| 3, 45 | 144, 9 |
| 4, 54 | 110, 1 |
| 5, 5 | 90, 9 |
Ko se velikosti slikovnih pik zmanjšujejo, se povezana Nyquistova meja v lp/mm sorazmerno poveča. Za določitev absolutne minimalne ločljive točke, ki jo je mogoče videti na predmetu, je treba izračunati razmerje vidnega polja in velikosti senzorja. To je znano tudi kot primarno povečanje.(PMAG) sistemi.
Razmerje, povezano s sistemskim PMAG, omogoča skaliranje ločljivosti prostora slike. Običajno pri načrtovanju aplikacije ni določena v lp/mm, temveč v mikronih (µm) ali frakcijah palca. Z zgornjo formulo lahko hitro skočite na končno ločljivost predmeta, da olajšate izbiro ločljivosti objektiva z. Pomembno je tudi upoštevati, da obstaja veliko dodatnih dejavnikov in da je zgornja omejitev veliko manj nagnjena k napakam kot zapletenost upoštevanja številnih dejavnikov in njihovega izračuna z enačbami.
Izračunaj goriščno razdaljo
Ločljivost slike je število slikovnih pik v njej. Označen v dveh dimenzijah, na primer 640X480. Izračune je mogoče opraviti ločeno za vsako dimenzijo, vendar se zaradi preprostosti pogosto zmanjša na eno. Za natančne meritve na sliki morate uporabiti najmanj dve slikovni piki za vsako najmanjše območje, ki ga želite zaznati. Velikost senzorja se nanaša na fizični indikator in praviloma ni navedena v podatkih potnega lista. Najboljši način za določitev velikosti senzorja je, da pogledate parametre slikovnih pik na njem in ga pomnožite z razmerjem stranic, v tem primeru ločljivost leče reši težave pri slabem posnetku.
Kamera Basler acA1300-30um ima na primer velikost slikovnih pik 3,75 x 3,75 um in ločljivost 1296 x 966 slikovnih pik. Velikost senzorja je 3,75 µm x 1296 x 3,75 µm x 966=4,86 x 3,62 mm.
Oblika tipala se nanaša na fizično velikost in ni odvisna od velikosti slikovnih pik. Ta nastavitev se uporablja zadoločite, s katerim objektivom je fotoaparat združljiv. Da se ujemajo, mora biti format leče večji ali enak velikosti senzorja. Če uporabite objektiv z manjšim razmerjem stranic, bo slika vinjetirana. To povzroči, da območja senzorja zunaj roba formata leče postanejo temna.
Izbira slikovnih pik in kamere
Če želite videti predmete na sliki, mora biti med njimi dovolj prostora, da se ne zlijejo s sosednjimi slikovnimi pikami, sicer se ne bodo razlikovali drug od drugega. Če so predmeti po en piksel, mora biti tudi ločitev med njimi vsaj en element, zahvaljujoč temu se oblikuje par črt, ki ima dejansko dve slikovni piki. To je eden od razlogov, zakaj je napačno meriti ločljivost kamer in objektivov v megapikslih.
Dejansko je lažje opisati ločljivostne zmogljivosti sistema v smislu frekvence para linij. Iz tega sledi, da se z zmanjšanjem velikosti slikovnih pik ločljivost poveča, ker lahko postavite manjše predmete na manjše digitalne elemente, imate manj prostora med njimi in še vedno razrešite razdaljo med motivi, ki jih posnamete.
To je poenostavljen model, kako senzor kamere zaznava predmete, ne da bi upošteval hrup ali druge parametre, in je idealna situacija.
MTF kontrastne karte
Večina leč ni popolnih optičnih sistemov. Svetloba, ki prehaja skozi lečo, je podvržena določeni stopnji degradacije. Vprašanje je, kako to ocenitidegradacija? Preden odgovorimo na to vprašanje, je treba opredeliti pojem "modulacija". Slednje je merilo kontrastne leče pri določeni frekvenci. Lahko bi poskusili analizirati slike resničnega sveta, posnete skozi objektiv, da bi določili modulacijo ali kontrast za podrobnosti različnih velikosti ali frekvenc (razmik), vendar je to zelo nepraktično.
Namesto tega je veliko lažje izmeriti modulacijo ali kontrast za pare izmeničnih belih in temnih črt. Imenujejo se pravokotne rešetke. Interval črt v pravokotni valovni rešetki je frekvenca (v), za katero se modulacija ali kontrastna funkcija leče in ločljivost merita v cm.
Največja količina svetlobe bo prihajala iz svetlih pasov, najmanjša pa iz temnih pasov. Če se svetloba meri glede na svetlost (L), lahko modulacijo določimo po naslednji enačbi:
modulacija=(Lmax - Lmin) / (Lmax + Lmin), kjer je: Lmax največja svetlost belih črt v rešetki, Lmin pa najmanjša svetlost temnih.
Ko je modulacija definirana glede na svetlobo, jo pogosto imenujemo Michelsonov kontrast, ker za merjenje kontrasta vzame razmerje svetilnosti iz svetlih in temnih pasov.
Na primer, obstaja kvadratna valovna rešetka z določeno frekvenco (v) in modulacijo ter značilen kontrast med temnimi in svetlimi območji, ki se od te rešetke odbijajo skozi lečo. Za določeno frekvenco se meri modulacija slike in s tem kontrast lečepalice (v).
Funkcija prenosa modulacije (MTF) je definirana kot modulacija M i slike, deljena z modulacijo dražljaja (predmeta) M o, kot je prikazano v naslednji enačbi.
|
MTF (v)=M i / M 0 |
USF testne mreže so natisnjene na 98 % svetel laserski papir. Črni toner za laserski tiskalnik ima odbojnost približno 10%. Torej je vrednost za M 0 88%. Ker pa ima film bolj omejen dinamični razpon v primerjavi s človeškim očesom, je varno domnevati, da je M 0 v bistvu 100 % ali 1. Tako se zgornja formula spušča na naslednje preprosta enačba:
|
MTF (v)=Mi |
Torej je objektiv MTF za dano frekvenco rešetke (v) preprosto izmerjena modulacija rešetke (Mi), ko jo fotografiramo skozi objektiv na film.
ločljivost mikroskopa
Ločljivost objektiva mikroskopa je najkrajša razdalja med dvema različnima točkama v njegovem vidnem polju okularja, ki ju je še vedno mogoče razlikovati kot različne predmete.
Če sta dve točki bližje skupaj od vaše ločljivosti, bosta videti mehki in njuni položaji ne bodo točni. Mikroskop lahko nudi veliko povečavo, vendar če so leče slabe kakovosti, bo posledično slaba ločljivost poslabšala kakovost slike.
Spodaj je Abbejeva enačba, kjer je ločljivostmoč objektiva mikroskopa z je ločljivostna moč, enaka valovni dolžini uporabljene svetlobe, deljeni z 2 (številčna odprtina objektiva).
Več elementov vpliva na ločljivost mikroskopa. Optični mikroskop, nastavljen na veliko povečavo, lahko ustvari zamegljeno sliko, vendar je še vedno pri največji ločljivosti leče.
Digitalna zaslonka objektiva vpliva na ločljivost. Ločljivost objektiva mikroskopa je številka, ki označuje sposobnost leče, da zbira svetlobo in ločuje točko na določeni razdalji od objektiva. Najmanjša točka, ki jo lahko loči leča, je sorazmerna z valovno dolžino zbrane svetlobe, deljeno s številom številčne zaslonke. Zato večje število ustreza večji zmožnosti leče, da zazna odlično točko v vidnem polju. Od količine popravka optične aberacije je odvisna tudi številčna zaslonka leče.
Ločljivost leče teleskopa
Kot svetlobni lijak lahko teleskop zbira svetlobo sorazmerno s površino luknje, ta lastnost je glavna leča.
Premer temno prilagojene zenice človeškega očesa je slab 1 centimeter, premer največjega optičnega teleskopa pa 1000 centimetrov (10 metrov), tako da je največji teleskop milijonkrat večji v zbirki območje kot človeško oko.
Zato teleskopi vidijo svetlejše predmete kot ljudje. In imajo naprave, ki kopičijo svetlobo z uporabo elektronskih senzorjev za zaznavanje več ur.
Obstajata dve glavni vrsti teleskopa: refraktorji z lečami in zrcalni reflektorji. Veliki teleskopi so reflektorji, ker ni nujno, da so ogledala prozorna. Teleskopska ogledala so med najbolj natančnimi oblikami. Dovoljena napaka na površini je približno 1/1000 širine človeškega lasu - skozi 10-metrsko luknjo.
Ogledala so bila včasih narejena iz ogromnih debelih steklenih plošč, da se ne bi povešala. Današnja ogledala so tanka in fleksibilna, vendar so računalniško vodena ali kako drugače segmentirana in poravnana z računalniškim nadzorom. Poleg naloge iskanja šibkih predmetov je astronomov cilj tudi videti njihove drobne podrobnosti. Stopnja, do katere je mogoče prepoznati podrobnosti, se imenuje ločljivost:
- Mehke slike=slaba ločljivost.
- Jasne slike=dobra ločljivost.
Zaradi valovne narave svetlobe in pojavov, imenovanih difrakcija, premer zrcala ali leče teleskopa omejuje njegovo končno ločljivost glede na premer teleskopa. Ločljivost tukaj pomeni najmanjšo kotno podrobnost, ki jo je mogoče prepoznati. Majhne vrednosti ustrezajo odličnim podrobnostim slike.
Radijski teleskopi morajo biti zelo veliki, da zagotavljajo dobro ločljivost. Zemljina atmosfera jeturbulentne in zamegljene slike teleskopa. Kopenski astronomi le redko dosežejo največjo ločljivost aparata. Turbulentni učinek atmosfere na zvezdo se imenuje vid. Ta turbulenca povzroči, da zvezde "utripajo". Da bi se izognili tem zameglitvam ozračja, astronomi izstrelijo teleskope v vesolje ali jih postavijo na visoke gore s stabilnimi atmosferskimi razmerami.
Primeri izračuna parametrov
Podatki za določitev ločljivosti objektiva Canon:
- Velikost slikovnih pik=3,45 µm x 3,45 µm.
- Piksli (V x V)=2448 x 2050.
- Želeno vidno polje (vodoravno)=100 mm.
- Omejitev ločljivosti senzorja: 1000/2x3, 45=145 lp/mm.
- Dimenzije senzorja:3,45x2448/1000=8,45 mm3, 45x2050/1000=7,07 mm.
- PMAG:8, 45/100=0,0845 mm.
- Ločljivost merilne leče: 145 x 0,0845=12,25 lp/mm.
Pravzaprav so ti izračuni precej zapleteni, vendar vam bodo pomagali ustvariti sliko na podlagi velikosti senzorja, formata slikovnih pik, delovne razdalje in vidnega polja v mm. Izračun teh vrednosti bo določil najboljši objektiv za vaše slike in uporabo.
Težave sodobne optike
Na žalost podvojitev velikosti senzorja povzroča dodatne težave za leče. Eden od glavnih parametrov, ki vplivajo na ceno slikovnega objektiva, je format. Zasnova objektiva za senzor večjega formata zahtevaštevilne posamezne optične komponente, ki bi morale biti večje in prenos sistema bolj tog.
Leča, zasnovana za 1" senzor, lahko stane petkrat več kot leča, zasnovana za ½" senzor, tudi če ne more uporabljati enakih specifikacij z omejeno ločljivostjo slikovnih pik. Stroškovno komponento je treba upoštevati, preden za določitev ločljivosti leče.
Optično slikanje se danes sooča z več izzivi kot pred desetletjem. Senzorji, s katerimi se uporabljajo, imajo veliko višje zahteve glede ločljivosti, velikosti formatov pa se hkrati premikajo manjše in večje, medtem ko se velikost slikovnih pik še naprej zmanjšuje.
V preteklosti optika nikoli ni omejevala slikovnega sistema, danes jo. Kjer je tipična velikost slikovnih pik okoli 9 µm, je veliko pogostejša velikost okoli 3 µm. To 81-kratno povečanje gostote pik je vplivalo na optiko, in čeprav je večina naprav dobrih, je izbira leč zdaj pomembnejša kot kdaj koli prej.
