Çözünürlük, bir görüntüleme sisteminin bir nesnenin ayrıntılarını yeniden oluşturma yeteneğidir ve kullanılan aydınlatma türü, sensörün piksel boyutu ve optiklerin yetenekleri gibi faktörlere bağlıdır. Öznenin detayı ne kadar küçük olursa, lensin gereken çözünürlüğü o kadar yüksek olur.
Çözüm sürecine giriş
Kameranın görüntü kalitesi sensöre bağlıdır. Basitçe söylemek gerekirse, bir dijital görüntü sensörü, milyonlarca ışığa duyarlı nokta içeren bir kamera gövdesinin içindeki bir çiptir. Bir kameranın sensörünün boyutu, bir görüntü oluşturmak için ne kadar ışığın kullanılabileceğini belirler. Sensör ne kadar büyük olursa, daha fazla bilgi toplandığından görüntü kalitesi o kadar iyi olur. Tipik olarak dijital kameralar piyasada 16 mm, Süper 35 mm ve bazen 65 mm'ye kadar sensör boyutları için reklam yapar.
Sensörün boyutu arttıkça, belirli bir diyafram açıklığında alan derinliği azalacaktır, çünkü daha büyük bir muadili yakınlaşmanızı gerektirir.veya çerçeveyi doldurmak için daha uzun bir odak uzaklığı kullanın. Aynı alan derinliğini korumak için fotoğrafçı daha küçük diyaframlar kullanmalıdır.
Bu sığ alan derinliği, özellikle portre için arka plan bulanıklığı elde etmek için istenebilir, ancak manzara fotoğrafçılığı daha fazla derinlik gerektirir, bu da kompakt kameraların esnek diyafram boyutuyla yakalanması daha kolaydır.
Bir sensör üzerindeki yatay veya dikey piksellerin sayısının bölünmesi, her birinin bir nesne üzerinde ne kadar yer kapladığını gösterir ve lens çözme gücünü değerlendirmek ve müşterinin cihazın dijital görüntü piksel boyutuyla ilgili endişelerini gidermek için kullanılabilir. Başlangıç noktası olarak, sistemin çözünürlüğünü gerçekten neyin sınırlayabileceğini anlamak önemlidir.
Bu ifade, beyaz bir arka plan üzerinde bir çift kare örneğiyle gösterilebilir. Kamera sensöründeki kareler komşu piksellerle eşlenirse, bunlar görüntüde (1a) iki ayrı kare (1b) yerine tek bir büyük dikdörtgen olarak görünecektir. Kareleri ayırt etmek için aralarında belirli bir boşluk, en az bir piksel gereklidir. Bu minimum mesafe, sistemin maksimum çözünürlüğüdür. Mutlak sınır, sensördeki piksellerin boyutuna ve sayılarına göre belirlenir.
Ölçme lensi özellikleri
Birbirini izleyen siyah ve beyaz kareler arasındaki ilişki doğrusal bir çift olarak tanımlanır. Tipik olarak, çözünürlük frekans tarafından belirlenir,milimetre başına hat çiftleri olarak ölçülür - lp/mm. Ne yazık ki, cm cinsinden lens çözünürlüğü mutlak bir sayı değildir. Belirli bir çözünürlükte, iki kareyi ayrı nesneler olarak görme yeteneği, gri tonlama düzeyine bağlı olacaktır. Aralarındaki gri ton farkı ne kadar büyük olursa, bu kareleri çözme yeteneği o kadar kararlı olur. Gri skalanın bu bölümü frekans kontrastı olarak bilinir.
Uzaysal frekans lp/mm olarak verilir. Bu nedenle, lensleri karşılaştırırken ve belirli sensörler ve uygulamalar için en iyi seçimi belirlerken çözünürlüğü lp/mm cinsinden hesaplamak son derece yararlıdır. Birincisi, sistem çözünürlüğü hesaplamasının başladığı yerdir. Sensörden başlayarak, cihazın veya diğer uygulamaların gereksinimlerini karşılamak için hangi lens özelliklerinin gerekli olduğunu belirlemek daha kolaydır. Nyquist adlı sensörün izin verdiği en yüksek frekans, etkili bir şekilde iki piksel veya bir satır çiftidir.
Sistem görüntü alanı çözünürlüğü olarak da adlandırılan tanımlı lens çözünürlüğü, bir çift oluşturmak için Μm cinsinden boyutu 2 ile çarparak ve mm'ye dönüştürmek için 1000'e bölerek belirlenebilir:
lp/mm=1000/ (2 X piksel)
Daha büyük piksellere sahip sensörler daha düşük çözünürlük sınırlarına sahip olacaktır. Daha küçük piksellere sahip sensörler, yukarıdaki lens çözünürlüğü formülüne göre daha iyi performans gösterecektir.
Aktif sensör alanı
Nesnenin maksimum çözünürlüğünü hesaplayabilirsiniz.görüntüleme. Bunu yapmak için sensör boyutu, görüş alanı ve sensör üzerindeki piksel sayısı arasındaki oran gibi göstergeleri ayırt etmek gerekir. İkincisinin boyutu, genellikle formatının boyutuna göre belirlenen kamera sensörünün aktif alanının parametrelerini ifade eder.
Ancak, tam oranlar en boy oranına göre değişecektir ve nominal sensör boyutları, özellikle telesentrik lensler ve yüksek büyütmeler için yalnızca bir kılavuz olarak kullanılmalıdır. Sensör boyutu, lens çözünürlüğü testi gerçekleştirmek için piksel boyutundan ve aktif piksel sayısından doğrudan hesaplanabilir.
Tablo, çok yaygın olarak kullanılan bazı sensörlerde bulunan piksel boyutlarıyla ilişkili Nyquist sınırını gösterir.
| Piksel boyutu (µm) | Birleştirilmiş Nyquist limiti (lp / mm) |
| 1, 67 | 299, 4 |
| 2, 2 | 227, 3 |
| 3, 45 | 144, 9 |
| 4, 54 | 110, 1 |
| 5, 5 | 90, 9 |
Piksel boyutları küçüldükçe, lp/mm cinsinden ilişkili Nyquist limiti orantılı olarak artar. Bir nesne üzerinde görülebilecek mutlak minimum çözülebilir noktayı belirlemek için, görüş alanının sensörün boyutuna oranı hesaplanmalıdır. Bu aynı zamanda birincil büyütme olarak da bilinir.(PMAG) sistemleri.
Sistem PMAG ile ilişkili ilişki, görüntü alanı çözünürlüğünün ölçeklenmesine izin verir. Tipik olarak, bir uygulama tasarlarken, lp/mm olarak değil, mikron (µm) veya bir inçin kesirleri olarak belirtilir. Lens çözünürlüğü z'yi seçmeyi kolaylaştırmak için yukarıdaki formülü kullanarak bir nesnenin nihai çözünürlüğüne hızla atlayabilirsiniz. Ayrıca birçok ek faktör olduğunu ve yukarıdaki sınırlamanın, birçok faktörü hesaba katma ve bunları denklemler kullanarak hesaplamanın karmaşıklığından çok daha az hataya açık olduğunu akılda tutmak önemlidir.
Odak uzaklığını hesaplayın
Bir görüntünün çözünürlüğü, içindeki piksel sayısıdır. İki boyutta belirtilmiştir, örneğin 640X480. Hesaplamalar her boyut için ayrı ayrı yapılabilir, ancak basitlik için bu genellikle bire indirgenir. Bir görüntü üzerinde doğru ölçümler yapmak için, algılamak istediğiniz her en küçük alan için en az iki piksel kullanmanız gerekir. Sensörün boyutu fiziksel bir göstergeye atıfta bulunur ve kural olarak pasaport verilerinde belirtilmez. Bir sensörün boyutunu belirlemenin en iyi yolu, üzerindeki piksel parametrelerine bakıp en-boy oranıyla çarpmaktır, bu durumda merceğin çözme gücü kötü bir çekimin sorunlarını çözer.
Örneğin, Basler acA1300-30um kamera 3,75 x 3,75um piksel boyutuna ve 1296 x 966 piksel çözünürlüğe sahiptir. Sensör boyutu 3,75 µm x 1296 x 3,75 µm x 966=4,86 x 3,62 mm'dir.
Sensör formatı fiziksel boyutu ifade eder ve piksel boyutuna bağlı değildir. Bu ayar için kullanılırkameranın hangi lensle uyumlu olduğunu belirleyin. Bunların eşleşmesi için lens formatının sensör boyutundan büyük veya ona eşit olması gerekir. Daha küçük en boy oranına sahip bir lens kullanılırsa, görüntüde vinyet etkisi olacaktır. Bu, lens formatının kenarının dışındaki sensör alanlarının koyulaşmasına neden olur.
Pikseller ve kamera seçimi
Görüntüdeki nesneleri görebilmek için aralarında komşu piksellerle birleşmeyecek kadar yeterli boşluk olmalıdır, aksi takdirde birbirlerinden ayırt edilemezler. Nesnelerin her biri bir piksel ise, aralarındaki ayrım da en az bir eleman olmalıdır, bu sayede aslında iki piksel boyutunda bir çift çizgi oluşur. Bu, kameraların ve lenslerin çözünürlüğünü megapiksel cinsinden ölçmenin yanlış olmasının nedenlerinden biridir.
Bir sistemin çözünürlük yeteneklerini hat çifti frekansı cinsinden tanımlamak aslında daha kolaydır. Bunu, piksel boyutu azaldıkça, çözünürlüğün arttığını, çünkü daha küçük nesneleri daha küçük dijital öğelerin üzerine koyabileceğiniz, aralarında daha az boşluk bırakabileceğiniz ve yine de çektiğiniz nesneler arasındaki mesafeyi çözebileceğiniz anlamına gelir.
Bu, kamera sensörünün gürültü veya diğer parametreleri dikkate almadan nesneleri nasıl algıladığının basitleştirilmiş bir modelidir ve ideal durumdur.
MTF kontrast çizelgeleri
Çoğu lens mükemmel optik sistemler değildir. Bir mercekten geçen ışık belirli bir derecede bozulmaya uğrar. Soru, bunun nasıl değerlendirileceğidir.bozulma? Bu soruyu cevaplamadan önce "modülasyon" kavramını tanımlamak gerekir. İkincisi, belirli bir frekansta kontrast leninin bir ölçüsüdür. Farklı boyut veya frekansların (boşluk) ayrıntıları için modülasyon veya kontrastı belirlemek için bir mercek aracılığıyla gerçek dünya görüntülerini analiz etmeye çalışabilirsiniz, ancak bu çok pratik değildir.
Bunun yerine, değişen beyaz ve koyu çizgi çiftleri için modülasyonu veya kontrastı ölçmek çok daha kolaydır. Bunlara dikdörtgen kafes denir. Dikdörtgen dalga ızgarasındaki çizgilerin aralığı, lensin modülasyon veya kontrast fonksiyonunun ve çözünürlüğün cm cinsinden ölçüldüğü frekanstır (v).
Maksimum ışık miktarı açık bantlardan, minimum ışık miktarı ise karanlık bantlardan gelecektir. Işık parlaklık (L) cinsinden ölçülürse, modülasyon aşağıdaki denkleme göre belirlenebilir:
modülasyon=(Lmax - Lmin) / (Lmax + Lmin), nerede: Lmax, ızgaradaki beyaz çizgilerin maksimum parlaklığı ve Lmin, karanlık olanların minimum parlaklığıdır.
Modülasyon ışık açısından tanımlandığında, genellikle Michelson kontrastı olarak adlandırılır çünkü kontrastı ölçmek için açık ve koyu bantlardan parlaklık oranını alır.
Örneğin, belirli bir frekansta (v) ve modülasyonda bir kare dalga ızgarası ve bu ızgaradan mercekten yansıyan karanlık ve aydınlık alanlar arasında doğal bir kontrast vardır. Görüntü modülasyonu ve dolayısıyla lens kontrastı belirli bir frekans için ölçülürçubuklar (v).
Modülasyon transfer fonksiyonu (MTF), görüntünün modülasyonunun M i uyaran (nesne) modülasyonuna bölünmesiyle tanımlanır M o, aşağıdaki denklemde gösterildiği gibi.
|
MTF (v)=M i / M 0 |
USF test ızgaraları %98 parlak lazer kağıdına basılmıştır. Siyah lazer yazıcı tonerinin yansıtma oranı yaklaşık %10'dur. Yani M 0 için değer %88'dir. Ancak film insan gözüyle karşılaştırıldığında daha sınırlı bir dinamik aralığa sahip olduğundan, M 0'ın esasen %100 veya 1 olduğunu varsaymak güvenlidir. basit denklem:
|
MTF (v)=Mi |
Yani, belirli bir ızgara frekansı (v) için MTF len, bir mercek aracılığıyla film üzerine fotoğraflandığında basitçe ölçülen ızgara modülasyonudur (Mi).
Mikroskop çözünürlüğü
Bir mikroskop objektifinin çözünürlüğü, göz merceğinin görüş alanındaki farklı nesneler olarak ayırt edilebilen iki farklı nokta arasındaki en kısa mesafedir.
İki nokta birbirine sizin çözünürlüğünüzden daha yakınsa, bulanık görünecek ve konumları yanlış olacaktır. Mikroskop yüksek büyütme sağlayabilir, ancak lenslerin kalitesi düşükse, ortaya çıkan düşük çözünürlük görüntü kalitesini düşürür.
Aşağıda Abbe denklemi yer almaktadır, burada çözünürlükbir mikroskop objektifinin gücü z, kullanılan ışığın dalga boyunun 2'ye bölünmesine (hedefin sayısal açıklığı) eşit çözme gücüdür.
Birkaç öğe bir mikroskobun çözünürlüğünü etkiler. Yüksek büyütmeye ayarlanmış bir optik mikroskop bulanık bir görüntü üretebilir, ancak yine de merceğin maksimum çözünürlüğündedir.
Bir merceğin dijital açıklığı çözünürlüğü etkiler. Bir mikroskop objektifinin çözme gücü, bir merceğin ışık toplama ve objektiften sabit bir mesafedeki bir noktayı çözme yeteneğini gösteren bir sayıdır. Lens tarafından çözülebilen en küçük nokta, toplanan ışığın dalga boyunun sayısal açıklık sayısına bölünmesiyle orantılıdır. Bu nedenle, daha büyük bir sayı, merceğin görüş alanındaki mükemmel bir noktayı algılama kabiliyetinin daha yüksek olduğuna karşılık gelir. Merceğin sayısal açıklığı ayrıca optik sapma düzeltme miktarına da bağlıdır.
Teleskop merceğinin çözünürlüğü
Işık hunisi gibi, bir teleskop deliğin alanıyla orantılı olarak ışık toplayabilir, bu özellik ana mercektir.
İnsan gözünün karanlığa uyarlanmış gözbebeğinin çapı 1 santimetrenin biraz altındadır ve en büyük optik teleskopun çapı 1000 santimetredir (10 metre), böylece en büyük teleskop koleksiyonda bir milyon kat daha büyüktür insan gözünden daha fazla alan.
Teleskopların insanlardan daha soluk nesneleri görmelerinin nedeni budur. Ve elektronik algılama sensörlerini kullanarak saatlerce ışık biriktiren cihazlara sahip olun.
İki ana teleskop türü vardır: lens tabanlı refraktörler ve ayna tabanlı reflektörler. Büyük teleskoplar yansıtıcıdır çünkü aynaların şeffaf olması gerekmez. Teleskop aynaları en hassas tasarımlar arasındadır. Yüzeyde izin verilen hata, bir insan saçının genişliğinin yaklaşık 1/1000'idir - 10 metrelik bir delikten.
Aynalar, sarkmamaları için büyük kalın cam levhalardan yapılırdı. Günümüzün aynaları ince ve esnektir, ancak bilgisayar tarafından kontrol edilir veya bilgisayar kontrolü ile başka şekilde bölümlere ayrılır ve hizalanır. Gökbilimcinin amacı, soluk cisimleri bulma görevine ek olarak, onların ince ayrıntılarını da görmektir. Ayrıntıların tanınma derecesine çözünürlük denir:
- Bulanık görüntüler=düşük çözünürlük.
- Net görüntüler=iyi çözünürlük.
Işığın dalga doğası ve kırınım denen olay nedeniyle, bir teleskopun aynasının veya merceğinin çapı, teleskopun çapına göre nihai çözünürlüğünü sınırlar. Buradaki çözünürlük, tanınabilecek en küçük açısal ayrıntı anlamına gelir. Küçük değerler mükemmel görüntü detayına karşılık gelir.
Radyo teleskopları iyi çözünürlük sağlamak için çok büyük olmalıdır. Dünya'nın atmosferiçalkantılı ve bulanık teleskop görüntüleri. Karasal gökbilimciler, aygıtın maksimum çözünürlüğüne nadiren ulaşabilirler. Atmosferin bir yıldız üzerindeki çalkantılı etkisine görüş denir. Bu türbülans yıldızların "parıldamasına" neden olur. Bu atmosferik bulanıklıklardan kaçınmak için, gökbilimciler teleskopları uzaya fırlatır veya sabit atmosferik koşullara sahip yüksek dağlara yerleştirir.
Parametre hesaplama örnekleri
Canon lens çözünürlüğünü belirleyen veriler:
- Piksel boyutu=3,45 µm x 3,45 µm.
- Piksel (Y x D)=2448 x 2050.
- İstenen görüş alanı (yatay)=100 mm.
- Sensör çözünürlük sınırı: 1000/2x3, 45=145 lp / mm.
- Sensör Boyutları:3,45x2448/1000=8.45 mm3, 45x2050/1000=7,07 mm.
- PMAG:8, 45/100=0,0845 mm.
- Ölçüm merceği çözünürlüğü: 145 x 0,0845=12,25 lp/mm.
Aslında, bu hesaplamalar oldukça karmaşıktır, ancak sensör boyutuna, piksel formatına, çalışma mesafesine ve mm cinsinden görüş alanına dayalı bir görüntü oluşturmanıza yardımcı olacaktır. Bu değerlerin hesaplanması, resimleriniz ve uygulamanız için en iyi lensi belirleyecektir.
Modern optiğin sorunları
Ne yazık ki, sensörün boyutunu iki katına çıkarmak lensler için ek sorunlar yaratır. Bir görüntü merceğinin maliyetini etkileyen ana parametrelerden biri formattır. Daha büyük formatlı bir sensör için bir lens tasarlamak içindaha büyük olması ve sistemin aktarımının daha katı olması gereken çok sayıda bireysel optik bileşen.
1" sensör için tasarlanmış bir lens, sınırlı piksel çözünürlüğü ile aynı özellikleri kullanamasa bile, ½" sensör için tasarlanmış bir lensten beş kat daha pahalıya mal olabilir. bir merceğin çözme gücünü belirlemek için.
Optik görüntüleme bugün on yıl öncesine göre daha fazla zorlukla karşı karşıya. Kullanıldıkları sensörler çok daha yüksek çözünürlük gereksinimlerine sahiptir ve piksel boyutu küçülmeye devam ederken format boyutları aynı anda hem daha küçük hem de daha büyük olarak çalıştırılır.
Geçmişte optik, görüntüleme sistemini hiçbir zaman sınırlamadı, bugün öyle. Tipik bir piksel boyutunun yaklaşık 9 µm olduğu durumlarda, çok daha yaygın bir boyut yaklaşık 3 µm'dir. Nokta yoğunluğundaki bu 81 kat artış, optiklere zarar verdi ve çoğu cihaz iyi olsa da, lens seçimi artık her zamankinden daha önemli.
