Ang Resolution ay ang kakayahan ng isang imaging system na kopyahin ang mga detalye ng isang bagay, at depende sa mga salik gaya ng uri ng liwanag na ginamit, laki ng pixel ng sensor, at mga kakayahan ng optika. Kung mas maliit ang detalye ng paksa, mas mataas ang kinakailangang resolution ng lens.
Panimula sa proseso ng paglutas
Ang kalidad ng larawan ng camera ay nakadepende sa sensor. Sa madaling salita, ang digital image sensor ay isang chip sa loob ng katawan ng camera na naglalaman ng milyun-milyong spot na sensitibo sa liwanag. Tinutukoy ng laki ng sensor ng camera kung gaano karaming liwanag ang maaaring gamitin upang lumikha ng isang imahe. Kung mas malaki ang sensor, mas mahusay ang kalidad ng imahe habang mas maraming impormasyon ang nakolekta. Karaniwang nag-a-advertise ang mga digital camera sa merkado para sa mga laki ng sensor na 16mm, Super 35mm, at minsan hanggang 65mm.
Habang tumataas ang laki ng sensor, bababa ang depth of field sa isang partikular na siwang, dahil hinihiling sa iyo ng mas malaking katapat na lumapit sabagay o gumamit ng mas mahabang focal length upang punan ang frame. Para mapanatili ang parehong depth of field, dapat gumamit ang photographer ng mas maliliit na aperture.
Maaaring kanais-nais ang mababaw na lalim ng field na ito, lalo na upang makamit ang blur sa background para sa portraiture, ngunit nangangailangan ng higit na lalim ang landscape photography, na mas madaling makuha gamit ang flexible na laki ng aperture ng mga compact camera.
Ang paghahati sa bilang ng mga pahalang o patayong pixel sa isang sensor ay magsasaad kung gaano karaming espasyo ang nasasakupan ng bawat isa sa isang bagay, at maaaring gamitin upang suriin ang kapangyarihan ng paglutas ng lens at lutasin ang mga alalahanin ng customer tungkol sa laki ng digital image pixel ng device. Bilang panimulang punto, mahalagang maunawaan kung ano talaga ang maaaring limitahan ang resolution ng system.
Ang pahayag na ito ay maaaring ipakita sa pamamagitan ng halimbawa ng isang pares ng mga parisukat sa puting background. Kung ang mga parisukat sa sensor ng camera ay nakamapa sa mga kalapit na pixel, lalabas ang mga ito bilang isang malaking parihaba sa larawan (1a) sa halip na dalawang magkahiwalay na parisukat (1b). Upang makilala ang mga parisukat, kinakailangan ang isang tiyak na espasyo sa pagitan ng mga ito, hindi bababa sa isang pixel. Ang pinakamababang distansya na ito ay ang pinakamataas na resolution ng system. Ang ganap na limitasyon ay tinutukoy ng laki ng mga pixel sa sensor, pati na rin ang bilang ng mga ito.
Pagsukat ng mga katangian ng lens
Ang ugnayan sa pagitan ng papalit-palit na itim at puting mga parisukat ay inilalarawan bilang isang linear na pares. Karaniwan, ang resolution ay tinutukoy ng dalas,sinusukat sa mga pares ng linya bawat milimetro - lp/mm. Sa kasamaang palad, ang resolution ng lens sa cm ay hindi isang ganap na numero. Sa isang ibinigay na resolusyon, ang kakayahang makita ang dalawang parisukat bilang magkahiwalay na mga bagay ay depende sa antas ng gray na sukat. Kung mas malaki ang gray na sukat na paghihiwalay sa pagitan nila at espasyo, mas matatag ang kakayahang lutasin ang mga parisukat na ito. Ang dibisyong ito ng gray na sukat ay kilala bilang frequency contrast.
Spatial frequency ay ibinibigay sa lp/mm. Para sa kadahilanang ito, ang pagkalkula ng resolution sa mga tuntunin ng lp/mm ay lubhang kapaki-pakinabang kapag naghahambing ng mga lente at tinutukoy ang pinakamahusay na pagpipilian para sa mga ibinigay na sensor at application. Ang una ay kung saan magsisimula ang pagkalkula ng resolution ng system. Simula sa sensor, mas madaling matukoy kung anong mga detalye ng lens ang kailangan upang matugunan ang mga kinakailangan ng device o iba pang mga application. Ang pinakamataas na frequency na pinapayagan ng sensor, Nyquist, ay epektibong dalawang pixel o isang pares ng linya.
Definition lens resolution, tinatawag ding system image space resolution, ay maaaring matukoy sa pamamagitan ng pagpaparami ng laki sa Μm sa 2 upang lumikha ng isang pares at paghahati sa 1000 upang ma-convert sa mm:
lp/mm=1000/ (2 X pixel)
Ang mga sensor na may mas malalaking pixel ay magkakaroon ng mas mababang mga limitasyon sa resolution. Mas mahusay na gaganap ang mga sensor na may mas maliliit na pixel ayon sa formula ng resolution ng lens sa itaas.
Aktibong lugar ng sensor
Maaari mong kalkulahin ang maximum na resolution para sa objectpanonood. Upang gawin ito, kinakailangan upang makilala sa pagitan ng mga tagapagpahiwatig tulad ng ratio sa pagitan ng laki ng sensor, ang larangan ng view at ang bilang ng mga pixel sa sensor. Ang laki ng huli ay tumutukoy sa mga parameter ng aktibong bahagi ng sensor ng camera, kadalasang tinutukoy ng laki ng format nito.
Gayunpaman, ang mga eksaktong proporsyon ay mag-iiba ayon sa aspect ratio, at ang mga nominal na laki ng sensor ay dapat lang gamitin bilang isang guideline, lalo na para sa mga telecentric lens at mataas na pag-magnify. Maaaring direktang kalkulahin ang laki ng sensor mula sa laki ng pixel at aktibong bilang ng mga pixel upang magsagawa ng pagsubok sa resolution ng lens.
Ipinapakita sa talahanayan ang limitasyon ng Nyquist na nauugnay sa mga laki ng pixel na makikita sa ilang karaniwang ginagamit na sensor.
| Laki ng pixel (µm) | Coupled Nyquist limit (lp / mm) |
| 1, 67 | 299, 4 |
| 2, 2 | 227, 3 |
| 3, 45 | 144, 9 |
| 4, 54 | 110, 1 |
| 5, 5 | 90, 9 |
Habang bumababa ang mga laki ng pixel, proporsyonal na tumataas ang nauugnay na limitasyon ng Nyquist sa lp/mm. Upang matukoy ang absolute minimum na resolvable spot na makikita sa isang bagay, dapat kalkulahin ang ratio ng field of view sa laki ng sensor. Ito ay kilala rin bilang pangunahing pagpapalaki.(PMAG) system.
Ang kaugnayang nauugnay sa system na PMAG ay nagbibigay-daan sa pag-scale ng resolution ng espasyo ng larawan. Karaniwan, kapag nagdidisenyo ng isang application, hindi ito tinukoy sa lp/mm, ngunit sa microns (µm) o mga fraction ng isang pulgada. Maaari kang mabilis na tumalon sa ultimate resolution ng isang object sa pamamagitan ng paggamit ng formula sa itaas upang gawing mas madaling piliin ang lens resolution z. Mahalaga ring tandaan na maraming karagdagang salik, at ang limitasyon sa itaas ay mas madaling magkaroon ng error kaysa sa pagiging kumplikado ng pagsasaalang-alang sa maraming salik at pagkalkula sa mga ito gamit ang mga equation.
Kalkulahin ang focal length
Ang resolution ng isang larawan ay ang bilang ng mga pixel sa loob nito. Itinalaga sa dalawang dimensyon, halimbawa, 640X480. Ang mga pagkalkula ay maaaring gawin nang hiwalay para sa bawat dimensyon, ngunit para sa pagiging simple ito ay madalas na binabawasan sa isa. Upang makagawa ng mga tumpak na sukat sa isang imahe, kailangan mong gumamit ng hindi bababa sa dalawang pixel para sa bawat pinakamaliit na lugar na gusto mong makita. Ang laki ng sensor ay tumutukoy sa isang pisikal na tagapagpahiwatig at, bilang panuntunan, ay hindi ipinahiwatig sa data ng pasaporte. Ang pinakamahusay na paraan upang matukoy ang laki ng isang sensor ay ang tingnan ang mga pixel parameter dito at i-multiply ito sa aspect ratio, kung saan malulutas ng resolving power ng lens ang mga problema ng isang bad shot.
Halimbawa, ang Basler acA1300-30um camera ay may sukat na pixel na 3.75 x 3.75um at isang resolution na 1296 x 966 pixels. Ang laki ng sensor ay 3.75 µm x 1296 by 3.75 µm x 966=4.86 x 3.62 mm.
Ang Sensor format ay tumutukoy sa pisikal na laki at hindi nakadepende sa laki ng pixel. Ang setting na ito ay ginagamit para satukuyin kung aling lens ang tugma sa camera. Para magkatugma ang mga ito, dapat na mas malaki sa o katumbas ng laki ng sensor ang format ng lens. Kung gumamit ng lens na may mas maliit na aspect ratio, ang larawan ay makakaranas ng vignetting. Nagdudulot ito ng pagdidilim sa mga bahagi ng sensor sa labas ng gilid ng format ng lens.
Pixel at seleksyon ng camera
Upang makita ang mga bagay sa larawan, dapat may sapat na espasyo sa pagitan ng mga ito upang hindi magsanib ang mga ito sa mga kalapit na pixel, kung hindi, sila ay hindi makilala sa isa't isa. Kung ang mga bagay ay isang pixel bawat isa, ang paghihiwalay sa pagitan ng mga ito ay dapat ding hindi bababa sa isang elemento, ito ay salamat sa ito na ang isang pares ng mga linya ay nabuo, na aktwal na may dalawang pixel sa laki. Isa ito sa mga dahilan kung bakit hindi tama ang pagsukat ng resolution ng mga camera at lens sa megapixels.
Mas talagang mas madaling ilarawan ang mga kakayahan sa pagresolba ng isang system sa mga tuntunin ng dalas ng pares ng linya. Kasunod nito na habang bumababa ang laki ng pixel, tumataas ang resolution dahil maaari kang maglagay ng mas maliliit na bagay sa mas maliliit na digital na elemento, magkaroon ng mas kaunting espasyo sa pagitan ng mga ito, at mareresolba pa rin ang distansya sa pagitan ng mga subject na kukunan mo.
Ito ay isang pinasimpleng modelo kung paano nakakakita ng mga bagay ang sensor ng camera nang hindi isinasaalang-alang ang ingay o iba pang mga parameter, at ito ang perpektong sitwasyon.
MTF contrast chart
Karamihan sa mga lens ay hindi perpektong optical system. Ang liwanag na dumadaan sa isang lens ay sumasailalim sa isang tiyak na antas ng pagkasira. Ang tanong ay kung paano ito susuriinmarawal na kalagayan? Bago sagutin ang tanong na ito, kinakailangang tukuyin ang konsepto ng "modulation". Ang huli ay isang sukatan ng contrast len sa isang ibinigay na dalas. Maaaring subukan ng isa na pag-aralan ang totoong mundo na mga imahe na kinunan sa pamamagitan ng isang lens upang matukoy ang modulasyon o contrast para sa mga detalye ng iba't ibang laki o frequency (spacing), ngunit ito ay napaka hindi praktikal.
Sa halip, mas madaling sukatin ang modulation o contrast para sa mga pares ng magkasalit-salit na puti at madilim na linya. Ang mga ito ay tinatawag na rectangular lattice. Ang pagitan ng mga linya sa isang rectangular wave grating ay ang frequency (v), kung saan ang modulation o contrast function ng lens at ang resolution ay sinusukat sa cm.
Ang maximum na dami ng liwanag ay magmumula sa mga light band, at ang pinakamababa ay mula sa dark band. Kung ang liwanag ay sinusukat sa mga tuntunin ng liwanag (L), ang modulasyon ay maaaring matukoy ayon sa sumusunod na equation:
modulation=(Lmax - Lmin) / (Lmax + Lmin), kung saan: Ang Lmax ay ang maximum na ningning ng mga puting linya sa grating, at ang Lmin ay ang pinakamababang liwanag ng mga madilim.
Kapag tinukoy ang modulation sa mga tuntunin ng liwanag, madalas itong tinutukoy bilang Michelson contrast dahil kinukuha nito ang ratio ng luminance mula sa light at dark bands upang masukat ang contrast.
Halimbawa, mayroong parisukat na wave grating ng isang tiyak na frequency (v) at modulation, at isang likas na kaibahan sa pagitan ng madilim at maliwanag na mga lugar na makikita mula sa rehas na ito sa pamamagitan ng lens. Ang modulasyon ng imahe at sa gayon ang kaibahan ng lens ay sinusukat para sa isang ibinigay na dalasbar (v).
Ang modulation transfer function (MTF) ay tinukoy bilang modulation M i ng imahe na hinati sa modulation ng stimulus (object) M o, gaya ng ipinapakita sa sumusunod na equation.
|
MTF (v)=M i / M 0 |
USF test grids ay naka-print sa 98% bright laser paper. Ang toner ng black laser printer ay may reflectance na halos 10%. Kaya ang halaga para sa M 0 ay 88%. Ngunit dahil ang pelikula ay may mas limitadong dynamic range kumpara sa mata ng tao, ligtas na ipagpalagay na ang M 0 ay mahalagang 100% o 1. Kaya't ang formula sa itaas ay bumaba sa sumusunod na higit pa simpleng equation:
|
MTF (v)=Mi |
Kaya ang MTF len para sa isang naibigay na frequency ng grating (v) ay ang sinusukat na grating modulation (Mi) kapag nakuhanan ng larawan sa pamamagitan ng lens sa pelikula.
Resolution ng mikroskopyo
Ang resolution ng layunin ng mikroskopyo ay ang pinakamaikling distansya sa pagitan ng dalawang magkaibang punto sa field of view ng eyepiece nito na maaari pa ring makilala bilang magkaibang mga bagay.
Kung mas malapit ang dalawang puntos kaysa sa iyong resolution, lilitaw na malabo ang mga ito at magiging hindi tumpak ang kanilang mga posisyon. Maaaring mag-alok ng mataas na pag-magnify ang mikroskopyo, ngunit kung mahina ang kalidad ng mga lente, ang magreresultang mahinang resolution ay magpapababa sa kalidad ng larawan.
Sa ibaba ay ang Abbe equation, kung saan ang resolutionang kapangyarihan ng isang mikroskopyo na layunin z ay ang paglutas ng kapangyarihan na katumbas ng wavelength ng liwanag na ginamit na hinati ng 2 (ang numerical na siwang ng layunin).
Nakakaapekto ang ilang elemento sa resolution ng isang mikroskopyo. Ang isang optical microscope na nakatakda sa mataas na magnification ay maaaring makabuo ng isang malabo na larawan, ngunit ito ay nasa maximum na resolution ng lens.
Ang digital aperture ng isang lens ay nakakaapekto sa resolution. Ang kapangyarihan ng paglutas ng layunin ng mikroskopyo ay isang numero na nagpapahiwatig ng kakayahan ng isang lens na mangolekta ng liwanag at malutas ang isang punto sa isang nakapirming distansya mula sa layunin. Ang pinakamaliit na punto na maaaring lutasin ng lens ay proporsyonal sa wavelength ng nakolektang liwanag na hinati sa numerical aperture number. Samakatuwid, ang isang mas malaking numero ay tumutugma sa isang mas malaking kakayahan ng lens na makakita ng isang mahusay na punto sa larangan ng view. Ang numerical aperture ng lens ay nakasalalay din sa dami ng optical aberration correction.
Resolution ng telescope lens
Tulad ng isang light funnel, ang isang teleskopyo ay nakakakuha ng liwanag ayon sa proporsyon ng lugar ng butas, ang property na ito ang pangunahing lens.
Ang diameter ng dark adapted pupil ng mata ng tao ay wala pang 1 sentimetro, at ang diameter ng pinakamalaking optical telescope ay 1,000 centimeters (10 metro), kaya ang pinakamalaking teleskopyo ay isang milyong beses na mas malaki sa koleksyon lugar kaysa sa mata ng tao.
Ito ang dahilan kung bakit nakakakita ang mga teleskopyo ng mas malabong bagay kaysa sa mga tao. At magkaroon ng mga device na nag-iipon ng liwanag gamit ang mga electronic detection sensor sa loob ng maraming oras.
Mayroong dalawang pangunahing uri ng teleskopyo: lens-based refractor at mirror-based reflector. Ang mga malalaking teleskopyo ay mga reflector dahil hindi kailangang maging transparent ang mga salamin. Ang mga salamin ng teleskopyo ay kabilang sa mga pinakatumpak na disenyo. Ang pinapayagang error sa ibabaw ay humigit-kumulang 1/1000 ang lapad ng buhok ng tao - sa pamamagitan ng 10 metrong butas.
Ang mga salamin ay dating ginawa mula sa malalaking makapal na glass slab para hindi ito lumubog. Ang mga salamin ngayon ay manipis at nababaluktot, ngunit kinokontrol ng computer o kung hindi man ay naka-segment at nakahanay sa pamamagitan ng kontrol ng computer. Bilang karagdagan sa gawain ng paghahanap ng mga malabong bagay, ang layunin ng astronomer ay makita din ang kanilang mga magagandang detalye. Ang antas kung saan maaaring makilala ang mga detalye ay tinatawag na resolution:
- Mga malabo na larawan=mahinang resolution.
- I-clear ang mga larawan=magandang resolution.
Dahil sa wave nature ng liwanag at phenomena na tinatawag na diffraction, nililimitahan ng diameter ng salamin o lens ng teleskopyo ang ultimate resolution nito na may kaugnayan sa diameter ng telescope. Ang resolution dito ay nangangahulugang ang pinakamaliit na angular na detalye na maaaring makilala. Ang maliliit na halaga ay tumutugma sa mahusay na detalye ng larawan.
Ang mga teleskopyo ng radyo ay dapat na napakalaki upang makapagbigay ng magandang resolution. Ang kapaligiran ng daigdig aymagulong at lumalabo ang mga imahe ng teleskopyo. Ang mga terrestrial astronomer ay bihirang maabot ang pinakamataas na resolution ng apparatus. Ang magulong epekto ng atmospera sa isang bituin ay tinatawag na vision. Ang kaguluhang ito ay nagiging sanhi ng pagkislap ng mga bituin. Para maiwasan ang atmospheric blurs na ito, ang mga astronomer ay naglulunsad ng mga teleskopyo sa kalawakan o inilalagay ang mga ito sa matataas na bundok na may matatag na kondisyon sa atmospera.
Mga halimbawa ng pagkalkula ng parameter
Data para matukoy ang resolution ng lens ng Canon:
- Laki ng pixel=3.45 µm x 3.45 µm.
- Pixels (H x V)=2448 x 2050.
- Gustong field of view (horizontal)=100 mm.
- Limit sa resolution ng sensor: 1000/2x3, 45=145 lp / mm.
- Mga Dimensyon ng Sensor:3.45x2448/1000=8.45 mm3, 45x2050/1000=7.07 mm.
- PMAG:8, 45/100=0.0845 mm.
- Pagsukat ng resolution ng lens: 145 x 0.0845=12.25 lp/mm.
Sa totoo lang, medyo kumplikado ang mga kalkulasyong ito, ngunit makakatulong ang mga ito sa iyong gumawa ng larawan batay sa laki ng sensor, format ng pixel, distansya sa pagtatrabaho, at field of view sa mm. Matutukoy ng pagkalkula ng mga halagang ito ang pinakamahusay na lens para sa iyong mga larawan at application.
Mga problema ng modernong optika
Sa kasamaang palad, ang pagdodoble sa laki ng sensor ay nagdudulot ng mga karagdagang problema para sa mga lente. Ang isa sa mga pangunahing parameter na nakakaapekto sa halaga ng isang lens ng imahe ay ang format. Ang pagdidisenyo ng lens para sa mas malaking format na sensor ay nangangailanganmaraming indibidwal na optical component, na dapat ay mas malaki at mas mahigpit ang paglipat ng system.
Ang isang lens na idinisenyo para sa isang 1" na sensor ay maaaring nagkakahalaga ng limang beses na mas malaki kaysa sa isang lens na dinisenyo para sa isang ½" na sensor, kahit na hindi nito magagamit ang parehong mga detalye na may limitadong pixel resolution. Ang bahagi ng gastos ay dapat isaalang-alang bago kung paano upang matukoy ang kapangyarihan ng paglutas ng isang lens.
Ang Optical imaging ngayon ay nahaharap sa mas maraming hamon kaysa sa nakalipas na dekada. Ang mga sensor na ginagamit nila ay may mas mataas na mga kinakailangan sa resolution, at ang mga laki ng format ay sabay-sabay na hinihimok sa parehong mas maliit at mas malaki, habang ang laki ng pixel ay patuloy na lumiliit.
Noong nakaraan, hindi kailanman nililimitahan ng optics ang imaging system, ngayon. Kung saan ang karaniwang laki ng pixel ay humigit-kumulang 9 µm, ang mas karaniwang laki ay nasa 3 µm. Ang 81x na pagtaas ng density ng tuldok na ito ay nakaapekto sa optika, at habang ang karamihan sa mga device ay mahusay, ang pagpili ng lens ay mas mahalaga na ngayon kaysa dati.
