Resoluutio on kuvantamisjärjestelmän kyky toistaa kohteen yksityiskohdat, ja se riippuu tekijöistä, kuten käytetyn valaistuksen tyypistä, anturin pikselikokosta ja optiikan ominaisuuksista. Mitä pienempi kohteen yksityiskohta on, sitä korkeampi objektiivin tarkkuus on.
Johdatus ratkaisuprosessiin
Kameran kuvanlaatu riippuu sensorista. Yksinkertaisesti sanottuna digitaalinen kuvasensori on kameran rungon sisällä oleva siru, joka sisältää miljoonia valoherkkiä kohtia. Kameran anturin koko määrittää, kuinka paljon valoa voidaan käyttää kuvan luomiseen. Mitä suurempi anturi, sitä parempi kuvanlaatu, kun enemmän tietoa kerätään. Tyypillisesti digitaalikamerat mainostavat markkinoilla 16 mm:n, Super 35 mm:n ja joskus jopa 65 mm:n sensorikokoja.
Kun anturin koko kasvaa, syväterävyys pienenee tietyllä aukolla, koska suurempi vastine edellyttää, että pääset lähemmäksitai käytä pidempää polttoväliä kehyksen täyttämiseen. Säilyttääkseen saman syväterävyyden valokuvaajan on käytettävä pienempiä aukkoja.
Tämä matala syväterävyys voi olla toivottavaa, varsinkin muotokuvien taustan epäterävyyden saavuttamiseksi, mutta maisemakuvaus vaatii enemmän syvyyttä, mikä on helpompi kaapata kompaktikameran joustavan aukon avulla.
Anturin vaaka- tai pystypikseleiden lukumäärän jakaminen osoittaa, kuinka paljon tilaa kukin vie objektissa, ja sitä voidaan käyttää arvioimaan objektiivin erotuskykyä ja ratkaisemaan asiakkaiden huolenaiheita laitteen digitaalisen kuvan pikselien koosta. Aluksi on tärkeää ymmärtää, mikä voi itse asiassa rajoittaa järjestelmän resoluutiota.
Tämä väite voidaan osoittaa esimerkillä neliöparista valkoisella taustalla. Jos kameran anturin neliöt on kartoitettu vierekkäisiin pikseleihin, ne näkyvät kuvassa yhtenä suurena suorakulmiona (1a) kahden erillisen neliön (1b) sijaan. Neliöiden erottamiseksi niiden väliin tarvitaan tietty tila, vähintään yksi pikseli. Tämä vähimmäisetäisyys on järjestelmän suurin resoluutio. Absoluuttinen raja määräytyy anturin pikselien koon sekä niiden lukumäärän perusteella.
Linssin ominaisuuksien mittaaminen
Vuorottelevien mustien ja valkoisten neliöiden välinen suhde kuvataan lineaarisena parina. Tyypillisesti resoluutio määräytyy taajuuden mukaan,mitattuna viivapareina millimetriä kohti - lp/mm. Valitettavasti linssin resoluutio senttimetreinä ei ole absoluuttinen luku. Tietyllä resoluutiolla kyky nähdä kaksi neliötä erillisinä objekteina riippuu harmaasävytasosta. Mitä suurempi harmaasävyero niiden ja tilan välillä on, sitä vakaampi on kyky ratkaista nämä neliöt. Tämä harmaasävyn jako tunnetaan taajuuskontrastina.
Avaruustaajuus on annettu yksikössä lp/mm. Tästä syystä resoluution laskeminen lp/mm:nä on erittäin hyödyllistä verrattaessa objektiiveja ja määritettäessä paras vaihtoehto tietyille antureille ja sovelluksille. Ensimmäinen on paikka, jossa järjestelmän resoluution laskenta alkaa. Anturista alkaen on helpompi määrittää, mitä objektiivin spesifikaatioita tarvitaan laitteen tai muiden sovellusten vaatimusten täyttämiseksi. Anturin, Nyquist, sallima korkein taajuus on käytännössä kaksi pikseliä tai yksi viivapari.
Määritelmäobjektiivin tarkkuus, jota kutsutaan myös järjestelmäkuvatilaresoluutioksi, voidaan määrittää kertomalla koko Μm:llä kahdella parin muodostamiseksi ja jakamalla 1 000:lla muuntaaksesi mm:ksi:
lp/mm=1000/ (2 X pikseliä)
Antureilla, joissa on suurempi pikseliä, on pienempi resoluutio. Pienemmät pikselit sisältävät anturit toimivat paremmin yllä olevan objektiivin resoluutiokaavan mukaan.
Aktiivinen anturialue
Voit laskea kohteen suurimman resoluutionkatseleminen. Tätä varten on tarpeen erottaa toisistaan indikaattorit, kuten anturin koon, näkökentän ja anturin pikselien lukumäärän välinen suhde. Jälkimmäisen koko viittaa kameran anturin aktiivisen alueen parametreihin, jotka yleensä määräytyvät sen muodon koon mukaan.
Tarkat mittasuhteet kuitenkin vaihtelevat kuvasuhteen mukaan, ja nimellisiä anturin kokoja tulee käyttää vain ohjeena, erityisesti telesentrisillä linsseillä ja suurilla suurennoksilla. Anturin koko voidaan laskea suoraan pikselien koosta ja aktiivisesta pikselien määrästä objektiivin resoluution testaamista varten.
Taulukko näyttää Nyquistin rajan, joka liittyy joidenkin hyvin yleisesti käytettyjen antureiden pikselikokoihin.
| Pikselikoko (µm) | Yhdistetty Nyquist-raja (lp / mm) |
| 1, 67 | 299, 4 |
| 2, 2 | 227, 3 |
| 3, 45 | 144, 9 |
| 4, 54 | 110, 1 |
| 5, 5 | 90, 9 |
Kun pikselien koko pienenee, siihen liittyvä Nyquistin raja lp/mm kasvaa vastaavasti. Objektissa näkyvän absoluuttisen pienimmän erottuvan pisteen määrittämiseksi on laskettava näkökentän suhde anturin kokoon. Tämä tunnetaan myös ensisijaisena augmentaationa.(PMAG) järjestelmät.
Järjestelmän PMAG:hen liittyvä suhde mahdollistaa kuvatilan resoluution skaalauksen. Tyypillisesti sovellusta suunniteltaessa sitä ei määritellä lp/mm, vaan pikemminkin mikroneina (µm) tai tuuman murto-osina. Voit siirtyä nopeasti kohteen lopulliseen resoluutioon yllä olevan kaavan avulla, mikä helpottaa objektiivin resoluution z valintaa. On myös tärkeää pitää mielessä, että on olemassa monia lisätekijöitä, ja yllä oleva rajoitus on paljon vähemmän virhe altis kuin monien tekijöiden huomioon ottaminen ja niiden laskeminen yhtälöiden avulla.
Laske polttoväli
Kuvan resoluutio on kuvassa olevien pikselien lukumäärä. Ilmoitettu kahdessa ulottuvuudessa, esimerkiksi 640X480. Laskelmat voidaan tehdä erikseen kullekin ulottuvuudelle, mutta yksinkertaisuuden vuoksi tämä on usein vähennetty yhteen. Jotta voit tehdä tarkkoja mittauksia kuvasta, sinun on käytettävä vähintään kahta pikseliä jokaiselle pienimmälle alueelle, jonka haluat havaita. Anturin koko viittaa fyysiseen indikaattoriin, eikä sitä pääsääntöisesti mainita passitiedoissa. Paras tapa määrittää anturin koko on katsoa sen pikseliparametreja ja kertoa se kuvasuhteella, jolloin objektiivin erotuskyky ratkaisee huonon kuvan ongelmat.
Esimerkiksi Basler acA1300-30um -kameran pikselikoko on 3,75 x 3,75 um ja resoluutio 1296 x 966 pikseliä. Anturin koko on 3,75 µm x 1 296 x 3,75 µm x 966=4,86 x 3,62 mm.
Anturimuoto viittaa fyysiseen kokoon, eikä se riipu pikselien koosta. Tätä asetusta käytetäänmäärittää, minkä objektiivin kanssa kamera on yhteensopiva. Jotta ne täsmäävät, objektiivin koon on oltava suurempi tai yhtä suuri kuin anturin koko. Jos käytetään objektiivia, jonka kuvasuhde on pienempi, kuvassa esiintyy vinjetointia. Tämä aiheuttaa sen, että anturin alueet objektiivimuodon reunan ulkopuolella tummuvat.
Pikselit ja kameran valinta
Jotta kohteiden näkee kuvassa, niiden välissä on oltava tarpeeksi tilaa, jotta ne eivät sulaudu viereisten pikseleiden kanssa, muuten ne eivät erotu toisistaan. Jos objektit ovat yksi pikseli kukin, tulee niiden välisen eron olla myös vähintään yksi elementti, jonka ansiosta muodostuu juovapari, joka on itse asiassa kahden pikselin kokoinen. Tämä on yksi syy siihen, miksi kameroiden ja objektiivien resoluution mittaaminen megapikseleinä on väärin.
Järjestelmän resoluutiokykyä on itse asiassa helpompi kuvata linjaparien taajuudella. Tästä seuraa, että kun pikselikoko pienenee, resoluutio kasvaa, koska voit sijoittaa pienempiä esineitä pienempiin digitaalisiin elementteihin, niiden väliin jää vähemmän tilaa ja silti selvittää kuvaamiesi kohteiden välisen etäisyyden.
Tämä on yksinkertaistettu malli siitä, kuinka kameran anturi havaitsee kohteet ottamatta huomioon kohinaa tai muita parametreja, ja se on ihanteellinen tilanne.
MTF-kontrastikaaviot
Useimmat linssit eivät ole täydellisiä optisia järjestelmiä. Linssin läpi kulkeva valo hajoaa tietyssä määrin. Kysymys kuuluukin, miten tätä pitäisi arvioidahuononeminen? Ennen kuin vastataan tähän kysymykseen, on tarpeen määritellä "modulaation" käsite. Jälkimmäinen on kontrastin mitta annetulla taajuudella. Voidaan yrittää analysoida objektiivin läpi otettuja todellisen maailman kuvia modulaation tai kontrastin määrittämiseksi erikokoisten tai -taajuisten yksityiskohtien (välin) os alta, mutta tämä on erittäin epäkäytännöllistä.
Sen sijaan on paljon helpompi mitata modulaatiota tai kontrastia vuorotteleville valkoisille ja tummille viivoille. Niitä kutsutaan suorakaiteen muotoiseksi hilaksi. Suorakulmaisen a altohilan viivojen väli on taajuus (v), jolla linssin modulaatio- tai kontrastifunktio ja resoluutio mitataan senttimetreinä.
Valon enimmäismäärä tulee vaaleilta vyöhykkeiltä ja vähimmäismäärä tummista vyöhykkeistä. Jos valo mitataan kirkkaudella (L), modulaatio voidaan määrittää seuraavan yhtälön mukaisesti:
modulaatio=(Lmax - Lmin) / (Lmax + Lmin), jossa: Lmax on hilan valkoisten viivojen enimmäiskirkkaus ja Lmin on tummien viivojen vähimmäiskirkkaus.
Kun modulaatio määritellään valon perusteella, sitä kutsutaan usein Michelson-kontrastiksi, koska se mittaa kontrastin vaaleiden ja tummien vyöhykkeiden luminanssin suhteen.
Esimerkiksi on olemassa neliöa altohila, jolla on tietty taajuus (v) ja modulaatio, ja luontainen kontrasti tummien ja vaaleiden alueiden välillä, joka heijastuu tästä hilasta linssin läpi. Kuvan modulaatio ja siten linssin kontrasti mitataan tietyllä taajuudellabaarit (v).
Modulaation siirtofunktio (MTF) määritellään kuvan modulaatioksi M i jaettuna ärsykkeen (objektin) modulaatiolla M o, kuten seuraavassa yhtälössä näkyy.
|
MTF (v)=M i / M 0 |
USF-testiruudukot on painettu 98 % kirkkaalle laserpaperille. Mustan lasertulostinväriaineen heijastuskyky on noin 10 %. Joten M 0 arvo on 88 %. Mutta koska elokuvan dynaaminen alue on rajoitetumpi ihmissilmään verrattuna, on turvallista olettaa, että M 0 on olennaisesti 100 % tai 1. Yllä oleva kaava tiivistyy siis seuraavaan. yksinkertainen yhtälö:
|
MTF (v)=Mi |
Joten MTF-linssi tietylle hilataajuudelle (v) on yksinkertaisesti mitattu hilamodulaatio (Mi), kun se kuvataan linssin läpi filmille.
Mikroskoopin resoluutio
Mikroskoopin objektiivin resoluutio on lyhin etäisyys kahden erillisen pisteen välillä sen okulaarin näkökentässä, jotka voidaan silti erottaa eri kohteina.
Jos kaksi pistettä ovat lähempänä toisiaan kuin resoluutiosi, ne näyttävät sumeilta ja niiden sijainnit ovat epätarkkoja. Mikroskoopissa voi olla suuri suurennus, mutta jos linssit ovat huonolaatuisia, huono resoluutio heikentää kuvan laatua.
Alla on Abbe-yhtälö, jossa resoluutiomikroskoopin objektiivin teho z on erotuskyky, joka on yhtä suuri kuin käytetyn valon aallonpituus jaettuna kahdella (objektiivin numeerinen aukko).
Useat elementit vaikuttavat mikroskoopin resoluutioon. Suurella suurennuksella asetettu optinen mikroskooppi voi tuottaa kuvan, joka on epäselvä, mutta silti se on objektiivin enimmäisresoluutiolla.
Objektiivin digitaalinen aukko vaikuttaa resoluutioon. Mikroskoopin objektiivin erotuskyky on luku, joka osoittaa linssin kyvyn kerätä valoa ja erottaa pisteen kiinteällä etäisyydellä objektiivista. Pienin piste, jonka linssi voi ratkaista, on verrannollinen kerätyn valon aallonpituuteen jaettuna numeerisella aukon numerolla. Siksi suurempi luku vastaa linssin parempaa kykyä havaita erinomainen piste näkökentässä. Objektiivin numeerinen aukko riippuu myös optisen aberraation korjauksen määrästä.
Kaukoputken linssin resoluutio
Kun valosuppilo, teleskooppi pystyy keräämään valoa suhteessa reiän pinta-alaan, tämä ominaisuus on päälinssi.
Ihmissilmän tummaan sopeutetun pupillin halkaisija on hieman alle 1 senttimetri ja suurimman optisen kaukoputken halkaisija on 1000 senttimetriä (10 metriä), joten suurimman kaukoputken koko on miljoona kertaa suurempi. alue kuin ihmissilmä.
Tästä syystä kaukoputket näkevät himmeämpiä kohteita kuin ihmiset. Ja sinulla on laitteita, jotka keräävät valoa elektronisten tunnistusanturien avulla useiden tuntien ajan.
Kaukoputkia on kahta päätyyppiä: linssipohjaiset refraktorit ja peilipohjaiset heijastimet. Suuret teleskoopit ovat heijastimia, koska peilien ei tarvitse olla läpinäkyviä. Teleskooppipeilit ovat tarkimpia malleja. Sallittu virhe pinnalla on noin 1/1000 hiuksen leveyttä - 10 metrin reiän läpi.
Peilit tehtiin v altavista paksuista lasilevyistä, jotta ne eivät painuisi. Nykypäivän peilit ovat ohuita ja joustavia, mutta ne ovat tietokoneohjattuja tai muuten segmentoituja ja kohdistettuja tietokoneohjauksella. Vaaleiden esineiden löytämisen lisäksi tähtitieteilijän tavoitteena on nähdä niiden hienot yksityiskohdat. Astetta, jossa yksityiskohdat voidaan tunnistaa, kutsutaan resoluutioksi:
- Sumeat kuvat=huono resoluutio.
- Selvät kuvat=hyvä resoluutio.
Valon a altoluonteen ja diffraktioksi kutsuttujen ilmiöiden vuoksi kaukoputken peilin tai linssin halkaisija rajoittaa sen lopullista resoluutiota suhteessa kaukoputken halkaisijaan. Resoluutio tarkoittaa tässä pienintä kulmayksityiskohtaa, joka voidaan tunnistaa. Pienet arvot vastaavat erinomaisia kuvan yksityiskohtia.
Radioteleskooppien on oltava erittäin suuria, jotta ne tarjoavat hyvän resoluution. Maan ilmakehä onmyrskyisät ja sumentavat teleskooppikuvat. Maanpäälliset tähtitieteilijät voivat harvoin saavuttaa laitteen maksimiresoluutiota. Ilmakehän turbulenttia vaikutusta tähteen kutsutaan visioksi. Tämä turbulenssi saa tähdet "tuikkimaan". Välttääkseen nämä ilmakehän epätarkkuudet tähtitieteilijät laukaisevat teleskooppeja avaruuteen tai sijoittavat ne korkeille vuorille, joissa ilmakehän olosuhteet ovat vakaat.
Esimerkkejä parametrien laskennasta
Tiedot Canonin objektiivin resoluution määrittämiseksi:
- Pikselikoko=3,45 µm x 3,45
- pikseliä (K x V)=2448 x 2050.
- Haluttu näkökenttä (vaaka)=100 mm.
- Anturin resoluutioraja: 1000/2x3, 45=145 lp / mm.
- Anturin mitat: 3,45x2448/1000=8,45 mm3, 45x2050/1000=7,07 mm.
- PMAG:8, 45/100=0,0845 mm.
- Mittausobjektiivin resoluutio: 145 x 0,0845=12,25 lp/mm.
Itse asiassa nämä laskelmat ovat melko monimutkaisia, mutta niiden avulla voit luoda kuvan anturin koon, pikselimuodon, työetäisyyden ja näkökentän millimetreinä perusteella. Näiden arvojen laskeminen määrittää kuvillesi ja sovelluksellesi parhaan objektiivin.
Modernin optiikan ongelmat
Valitettavasti anturin koon kaksinkertaistaminen aiheuttaa lisäongelmia objektiiveille. Yksi tärkeimmistä kuvaobjektiivin hintaan vaikuttavista parametreista on muoto. Linssin suunnittelu suuremmalle anturille vaatiilukuisia yksittäisiä optisia komponentteja, joiden pitäisi olla suurempia ja järjestelmän siirto jäykempi.
1"-kennolle suunniteltu objektiivi voi maksaa viisi kertaa niin paljon kuin ½"-kennolle suunniteltu objektiivi, vaikka se ei pystyisi käyttämään samoja määrityksiä rajoitetulla pikselin tarkkuudella. Kustannuskomponentti on otettava huomioon ennen kuin kuinka määrittää linssin erotuskyvyn.
Optinen kuvantaminen kohtaa nykyään enemmän haasteita kuin vuosikymmen sitten. Antureilla, joiden kanssa niitä käytetään, on paljon korkeammat resoluutiovaatimukset, ja muotokokoja ohjataan samanaikaisesti sekä pienemmiksi että suuremmiksi, kun taas pikselikoko pienenee edelleen.
Aiemmin optiikka ei koskaan rajoittunut kuvantamisjärjestelmää, nykyään se rajoittaa. Kun tyypillinen pikselikoko on noin 9 µm, paljon yleisempi koko on noin 3 µm. Tämä 81-kertainen pistetiheyden kasvu on vaatinut veronsa optiikkaan, ja vaikka useimmat laitteet ovat hyviä, objektiivin valinta on nyt tärkeämpää kuin koskaan.
