A felbontás a képalkotó rendszer azon képessége, hogy reprodukálja az objektum részleteit, és olyan tényezőktől függ, mint a használt világítás típusa, az érzékelő pixelmérete és az optika képességei. Minél kisebb a téma részlete, annál nagyobb az objektív szükséges felbontása.
Bevezetés a feloldási folyamatba
A kamera képminősége az érzékelőtől függ. Egyszerűen fogalmazva, a digitális képérzékelő egy chip a fényképezőgép vázában, amely több millió fényérzékeny foltot tartalmaz. A kamera érzékelőjének mérete határozza meg, hogy mennyi fényt lehet felhasználni egy kép létrehozásához. Minél nagyobb az érzékelő, annál jobb a képminőség, mivel több információ kerül összegyűjtésre. A digitális fényképezőgépek általában 16 mm-es, Super 35 mm-es és néha akár 65 mm-es szenzorméreteket hirdetnek a piacon.
Az érzékelő méretének növekedésével a mélységélesség csökkenni fog egy adott rekesznyílásnál, mivel a nagyobb megfelelőhöz közelebb kell mennitárgyat, vagy használjon hosszabb gyújtótávolságot a keret kitöltéséhez. Az azonos mélységélesség megőrzéséhez a fotósnak kisebb rekesznyílásokat kell használnia.
Ez a kis mélységélesség kívánatos lehet, különösen a háttér elmosódásának eléréséhez portrékészítésnél, de a tájképfotózáshoz nagyobb mélységre van szükség, ami könnyebben rögzíthető a kompakt fényképezőgépek rugalmas rekesznyílásával.
Az érzékelőn lévő vízszintes és függőleges pixelek számának felosztása jelzi, hogy mindegyik mennyi helyet foglal el egy objektumon, és felhasználható az objektív feloldóképességének értékelésére, valamint az eszköz digitális képpixelméretével kapcsolatos vásárlói aggodalmak megoldására. Kiindulópontként fontos megérteni, hogy valójában mi korlátozhatja a rendszer felbontását.
Ez az állítás egy fehér alapon lévő négyzetpár példájával igazolható. Ha a kamera érzékelőjén lévő négyzetek a szomszédos pixelekre vannak leképezve, akkor egy nagy téglalapként jelennek meg a képen (1a), nem pedig két különálló négyzetként (1b). A négyzetek megkülönböztetéséhez bizonyos távolságra van szükség közöttük, legalább egy pixelre. Ez a minimális távolság a rendszer maximális felbontása. Az abszolút korlátot az érzékelőn lévő pixelek mérete, valamint azok száma határozza meg.
A lencse jellemzőinek mérése
A váltakozó fekete és fehér négyzetek közötti kapcsolatot lineáris párként írják le. A felbontást általában a frekvencia határozza meg,vonalpárban mérve milliméterenként - lp/mm. Sajnos az objektív felbontása cm-ben nem abszolút szám. Egy adott felbontásnál a szürkeskála szintjétől függ, hogy a két négyzet külön objektumként látható-e. Minél nagyobb a szürkeárnyalatos elválasztás köztük és a tér között, annál stabilabb a képesség ezeknek a négyzeteknek a feloldására. A szürkeskála ezen felosztását frekvenciakontrasztnak nevezik.
A térbeli frekvencia lp/mm-ben van megadva. Emiatt a felbontás lp/mm-ben kifejezett kiszámítása rendkívül hasznos az objektívek összehasonlításakor és az adott érzékelők és alkalmazások számára a legjobb választás meghatározásakor. Az elsőnél kezdődik a rendszerfelbontás számítása. Az érzékelőtől kezdve könnyebb meghatározni, hogy milyen objektívspecifikációkra van szükség ahhoz, hogy megfeleljen az eszköz vagy más alkalmazások követelményeinek. A Nyquist érzékelő által megengedett legmagasabb frekvencia gyakorlatilag két képpont vagy egy vonalpár.
A definíciós lencsefelbontás, amelyet rendszerképtérfelbontásnak is neveznek, úgy határozható meg, hogy a Μm-ben megadott méretet megszorozzuk 2-vel, hogy egy párt hozzunk létre, és elosztjuk 1000-el a mm-re konvertáláshoz:
lp/mm=1000/ (2 x pixel)
A nagyobb pixelekkel rendelkező érzékelők felbontása alacsonyabb lesz. A kisebb pixeles érzékelők jobban teljesítenek a fenti lencsefelbontási képlet szerint.
Aktív érzékelőterület
Kiszámíthatja az objektum maximális felbontásátnézegetése. Ehhez különbséget kell tenni az olyan mutatók között, mint az érzékelő mérete, a látómező és az érzékelő képpontjainak száma közötti arány. Ez utóbbi mérete a kameraérzékelő aktív területének paramétereire utal, általában a formátum mérete határozza meg.
A pontos arányok azonban a képaránytól függően változnak, és a névleges szenzorméretek csak iránymutatásként használhatók, különösen telecentrikus objektívek és nagy nagyítások esetén. Az érzékelő mérete közvetlenül kiszámítható a pixelméretből és az aktív pixelek számából az objektívfelbontás teszt elvégzéséhez.
A táblázat bemutatja a Nyquist-korlátot, amely néhány nagyon gyakran használt érzékelőn található pixelmérethez kapcsolódik.
| Pixelméret (µm) | Kapcsolt Nyquist határérték (lp / mm) |
| 1, 67 | 299, 4 |
| 2, 2 | 227, 3 |
| 3, 45 | 144, 9 |
| 4, 54 | 110, 1 |
| 5, 5 | 90, 9 |
A pixelméretek csökkenésével a kapcsolódó Nyquist-határ lp/mm-ben arányosan növekszik. Az objektumon látható abszolút minimális feloldható folt meghatározásához ki kell számítani a látómező és az érzékelő méretének arányát. Ezt elsődleges augmentációnak is nevezik.(PMAG) rendszerek.
A PMAG rendszerhez kapcsolódó kapcsolat lehetővé teszi a képtér felbontásának skálázását. Jellemzően egy alkalmazás tervezésekor nem lp/mm-ben, hanem mikronban (µm) vagy a hüvelyk töredékében adják meg. Gyorsan átugorhatja egy objektum végső felbontását a fenti képlet segítségével, így könnyebben kiválaszthatja a z objektívfelbontást. Azt is fontos szem előtt tartani, hogy számos további tényező van, és a fenti korlátozás sokkal kevésbé hibás, mint a sok tényező figyelembevételének és egyenletekkel történő kiszámításának bonyolultsága.
A gyújtótávolság kiszámítása
Egy kép felbontása a képpontok száma. Két dimenzióban van kijelölve, például 640X480. A számításokat minden dimenzióhoz külön is el lehet végezni, de az egyszerűség kedvéért ezt gyakran egyre csökkentik. A kép pontos méréséhez legalább két képpontot kell használnia minden legkisebb érzékelni kívánt területhez. Az érzékelő mérete egy fizikai mutatóra vonatkozik, és általában nem szerepel az útlevéladatokban. A szenzor méretének meghatározásához a legjobb módszer, ha megnézzük a rajta lévő pixel paramétereket, és megszorozzuk a képaránnyal, ilyenkor az objektív felbontóképessége megoldja a rossz felvétel problémáit.
Például a Basler acA1300-30um kamera pixelmérete 3,75 x 3,75 um, felbontása pedig 1296 x 966 pixel. Az érzékelő mérete 3,75 µm x 1296 x 3,75 µm x 966=4,86 x 3,62 mm.
Az érzékelő formátuma a fizikai méretre vonatkozik, és nem függ a pixelmérettől. Ez a beállítás használatoshatározza meg, hogy melyik objektívvel kompatibilis a fényképezőgép. Ahhoz, hogy illeszkedjenek, az objektív formátumának nagyobbnak vagy egyenlőnek kell lennie, mint az érzékelő mérete. Ha kisebb oldalarányú objektívet használ, a kép vignettálást tapasztal. Emiatt az érzékelőnek az objektív formátumának szélén kívül eső részei elsötétednek.
Képpontok és kameraválasztás
Ahhoz, hogy az objektumokat a képen lássuk, elegendő helynek kell lenni közöttük, hogy ne olvadjanak össze a szomszédos pixelekkel, különben megkülönböztethetetlenek lesznek egymástól. Ha az objektumok egy-egy pixelesek, akkor a köztük lévő elválasztásnak is legalább egy elemnek kell lennie, ennek köszönhetően jön létre egy vonalpár, amely valójában két pixel méretű. Ez az egyik oka annak, hogy helytelen a fényképezőgépek és objektívek felbontását megapixelben mérni.
Valójában egyszerűbb leírni a rendszer felbontási képességeit a vonalpárok frekvenciájával. Ebből következik, hogy a pixelméret csökkenésével a felbontás növekszik, mert kisebb tárgyakat helyezhet kisebb digitális elemekre, kevesebb hely marad közöttük, és továbbra is feloldja a fényképezett témák közötti távolságot.
Ez egy leegyszerűsített modell arról, hogyan érzékeli a kamera érzékelője a tárgyakat a zaj vagy egyéb paraméterek figyelembevétele nélkül, és ez az ideális helyzet.
MTF kontrasztdiagramok
A legtöbb objektív nem tökéletes optikai rendszer. A lencsén áthaladó fény bizonyos fokú degradáción megy keresztül. A kérdés az, hogyan kell ezt értékelnidegradáció? A kérdés megválaszolása előtt meg kell határozni a „moduláció” fogalmát. Ez utóbbi a kontrasztlencse mértéke egy adott frekvencián. Megpróbálhatnánk elemezni az objektíven keresztül készített valós képeket, hogy meghatározzuk a modulációt vagy a kontrasztot különböző méretű vagy frekvenciájú részletek (távköz) esetén, de ez nagyon nem praktikus.
Ehelyett sokkal könnyebb megmérni a modulációt vagy a kontrasztot váltakozó fehér és sötét vonalpárok esetén. Négyszögletű rácsnak nevezik őket. A téglalap alakú hullámrács vonalainak intervalluma az a frekvencia (v), amelyre a lencse modulációs vagy kontrasztfüggvényét és a felbontást cm-ben mérjük.
A maximális fénymennyiség a világos sávokból, a minimális a sötét sávokból származik. Ha a fényt fényerővel (L) mérjük, a moduláció a következő egyenlet szerint határozható meg:
moduláció=(Lmax - Lmin) / (Lmax + Lmin), ahol: Lmax a fehér vonalak maximális fényereje a rácsban, az Lmin pedig a sötét vonalak minimális fényereje.
Amikor a modulációt fényben határozzák meg, gyakran Michelson kontrasztnak nevezik, mert a kontraszt méréséhez a világos és sötét sávok fénysűrűségének arányát veszi figyelembe.
Például van egy bizonyos frekvenciájú négyszöghullámú rács (v) és moduláció, valamint egy eredendő kontraszt a sötét és világos területek között, amely a rácsról visszaverődik a lencsén keresztül. A képmodulációt és így az objektív kontrasztját egy adott frekvencián mériksávok (v).
A modulációs átviteli függvény (MTF) a kép M i modulációja osztva az M o inger (objektum) modulációjával., amint azt a következő egyenlet mutatja.
|
MTF (v)=M i / M 0 |
Az USF tesztrácsok 98%-os fényerejű lézerpapírra vannak nyomtatva. A fekete lézernyomtató toner visszaverődése körülbelül 10%. Tehát az M 0 értéke 88%. De mivel a filmnek az emberi szemhez képest korlátozottabb dinamikus tartománya van, nyugodtan feltételezhető, hogy M 0 lényegében 100% vagy 1. Tehát a fenti képlet a következőre csapódik le. egyszerű egyenlet:
|
MTF (v)=Mi |
Tehát az MTF lencse adott rácsfrekvenciához (v) egyszerűen a mért rácsmoduláció (Mi), amikor objektíven keresztül filmre fényképezzük.
Mikroszkóp felbontás
A mikroszkóp objektív felbontása a legrövidebb távolság a szemlencse látómezejében lévő két különálló pont között, amelyek még mindig megkülönböztethetők különböző objektumként.
Ha két pont közelebb van egymáshoz, mint az Ön felbontása, akkor homályosnak tűnnek, és helyük pontatlan lesz. A mikroszkóp nagy nagyítást biztosíthat, de ha a lencsék rossz minőségűek, az ebből eredő gyenge felbontás rontja a képminőséget.
Alul látható az Abbe-egyenlet, ahol a felbontása z mikroszkópobjektív teljesítménye az a felbontóképesség, amely egyenlő a használt fény hullámhosszának osztva 2-vel (az objektív numerikus apertúrája).
Számos elem befolyásolja a mikroszkóp felbontását. A nagy nagyításra beállított optikai mikroszkóp homályos képet készíthet, de még mindig a lencse maximális felbontásán van.
Az objektív digitális rekesznyílása befolyásolja a felbontást. A mikroszkóp objektívjének felbontóképessége egy szám, amely azt jelzi, hogy a lencse képes-e fényt gyűjteni és az objektívtől meghatározott távolságban felbontani egy pontot. Az objektív által felbontható legkisebb pont arányos az összegyűjtött fény hullámhosszának osztva a numerikus apertúraszámmal. Ezért nagyobb szám az objektív nagyobb képességének felel meg a látómező egy kiváló pontjának észlelésére. Az objektív numerikus rekeszértéke az optikai aberráció-korrekció mértékétől is függ.
A teleszkóp lencséjének felbontása
A fénytölcsérhez hasonlóan a teleszkóp a lyuk területének arányában képes fényt gyűjteni, ez a tulajdonság a fő lencse.
Az emberi szem sötét adaptált pupillájának átmérője alig 1 centiméter, a legnagyobb optikai teleszkóp átmérője pedig 1000 centiméter (10 méter), így a legnagyobb teleszkóp egymilliószor nagyobb a gyűjteményben terület, mint az emberi szem.
Ez az oka annak, hogy a teleszkópok halványabb tárgyakat látnak, mint az emberek. És rendelkezzenek olyan eszközökkel, amelyek több órán keresztül fényt halmoznak fel elektronikus érzékelők segítségével.
A teleszkópoknak két fő típusa van: lencse alapú refraktorok és tükör alapú reflektorok. A nagy teleszkópok reflektorok, mert a tükröknek nem kell átlátszónak lenniük. A teleszkópos tükrök a legprecízebb kialakítások közé tartoznak. A felületen megengedett hiba az emberi hajszál szélességének 1/1000-e – egy 10 méteres lyukon keresztül.
Régebben a tükröket hatalmas vastag üveglapokból készítették, hogy ne ereszkedjenek meg. A mai tükrök vékonyak és rugalmasak, de számítógéppel vezérelhetők vagy más módon szegmentálhatók és számítógépes vezérléssel igazíthatók. A halvány tárgyak megtalálása mellett a csillagász célja azok finom részleteinek meglátása is. A részletek felismerésének mértékét felbontásnak nevezzük:
- Fuzzy képek=gyenge felbontás.
- Tiszta képek=jó felbontás.
A fény hullámtermészete és a diffrakciónak nevezett jelenségek miatt a távcső tükrének vagy lencséjének átmérője korlátozza annak végső felbontását a távcső átmérőjéhez képest. A felbontás itt a legkisebb felismerhető szögletes részletet jelenti. A kis értékek kiváló képrészleteknek felelnek meg.
A rádióteleszkópoknak nagyon nagyoknak kell lenniük a jó felbontás érdekében. A Föld légköre azviharos és elmosódott teleszkópképeket. A földi csillagászok ritkán érik el a készülék maximális felbontását A légkörnek egy csillagra gyakorolt turbulens hatását látásnak nevezzük. Ez a turbulencia hatására a csillagok "villognak". A légköri elmosódások elkerülése érdekében a csillagászok teleszkópokat bocsátanak ki az űrbe, vagy magas hegyekre helyezik őket stabil légköri feltételek mellett.
Példák a paraméterszámításra
A Canon objektív felbontásának meghatározásához szükséges adatok:
- Pixelméret=3,453,45.
- Pixel (H x V)=2448 x 2050.
- Kívánt látómező (vízszintes)=100 mm.
- Az érzékelő felbontásának határértéke: 1000/2x3, 45=145 lp / mm.
- Érzékelő méretei:3,45x2448/1000=8,45 mm3, 45x2050/1000=7,07 mm.
- PMAG:8, 45/100=0,0845 mm.
- Mérőlencse felbontása: 145 x 0,0845=12,25 lp/mm.
Valójában ezek a számítások meglehetősen összetettek, de segítenek létrehozni egy képet az érzékelő mérete, a pixelformátum, a munkatávolság és a mm-ben megadott látómező alapján. Ezen értékek kiszámítása határozza meg a legjobb objektívet a képekhez és az alkalmazáshoz.
A modern optika problémái
Sajnos az érzékelő méretének megkétszerezése további problémákat okoz az objektíveknél. A képlencse költségét befolyásoló egyik fő paraméter a formátum. Lencse tervezése nagyobb formátumú érzékelőhöz szükségesszámos egyedi optikai alkatrész, amelyeknek nagyobbnak kell lenniük, és a rendszer átvitelének merevebbnek kell lennie.
Egy 1"-es érzékelőhöz tervezett objektív ára ötször annyiba kerülhet, mint egy ½"-es érzékelőhöz tervezett objektív, még akkor is, ha korlátozott pixelfelbontás mellett nem tudja használni ugyanazokat a specifikációkat. A költségkomponenst mérlegelni kell, mielőtt hogyan hogy meghatározzuk egy lencse felbontóképességét.
Az optikai képalkotás ma több kihívással néz szembe, mint egy évtizeddel ezelőtt. Az általuk használt érzékelők sokkal nagyobb felbontásigényűek, és a formátumméretek egyszerre kisebbek és nagyobbak, miközben a pixelméret folyamatosan csökken.
Régebben az optika soha nem korlátozta a képalkotó rendszert, ma már igen. Ahol a tipikus pixelméret körülbelül 9 µm, ott a sokkal gyakoribb méret a 3 µm körüli. A pontsűrűség 81-szeres növekedése megviselte az optikát, és bár a legtöbb eszköz jó, az objektív kiválasztása most fontosabb, mint valaha.
