Разрешающая сила объектива: Фотообъектив. Разрешающая сила. | ДРУГ ФОТОАППАРАТ

качество объектива и разрешение матрицы

Что важнее: качественная фотокамера или объектив? Руководствуясь постулатом прошлых лет — «снимает не камера, снимает объектив» ответ был однозначным: при желании улучшить разрешающую силу системы «фотокамера + объектив» фотограф отдавал предпочтение качественному объективу. Так ли это сейчас, в эпоху цифровой фотографии? Фотокамера имеет несколько параметров качества: дисторсия, аберрация, дифракция, боке, пластичность рисунка. В статье рассматривается только один параметр – разрешающая сила, то есть способность передать в фотографии некоторое количество различимой информации. Передавать отчетливо, резко или чётко, как говорят некоторые.

Терминология

Фотоаппарат состоит из двух основных частей: фотокамеры (body) и объектива. То есть, в этой статье, фотоаппарат не то же самое, что и фотокамера. Изображения составных фотоаппарата я возьму в каталоге где найду исследуемые объективы и фотокамеры. Данные по разрешающей способности фотоаппаратов найдутся на сайтах www.

photozone.de и www.dxomark.com.

Разрешающая сила: возможность различить две отдельные точки. Чем меньше расстояние между точками, и при этом они не сливаются в одно пятно, тем выше разрешение фотоаппарата. По-простому говоря, чем выше разрешение фотоаппарата, тем больше информации будет содержаться в фотоснимке, лучше различаются мелкие детали и выше резкость изображения. Разрешающая сила фотоаппарата складывается из разрешающей силы матрицы и разрешающей силы объектива.

Тест MTF50 самый распространенный тест для оценки качества изображения в фотографии. Разрешающая сила определяется фотографированием штриховой шкалы или миры. Штриховая мира это лист бумаги, на котором напечатаны чередующиеся тёмные и светлые полоски с изменяющейся частотой. Чем более тонкие штрихи способен передать фотоаппарат, тем выше его разрешающая способность. Оценивать качество изображения мы будем по количеству различимых полосок помещающихся в высоту кадра. Чем тоньше будут различимые полоски, тем больше таких полосок мы увидим, тем выше качество фотосистемы в целом.

Чтобы не усложнять расчеты, я буду использовать лучшее значение разрешающей силы.

Исходные данные. Предположим, мы имеем слабую, всего 8 мегапикселов, фотокамеру Canon 350D и слабый объектив Canon EF-S 18-55mm f/3.5-5.6 IS. Попробуем определить, какие вложения будут эффективны для улучшения такого фотоаппарата:

• увеличить количество мегапикселов матрицы фотокамеры;
• использовать более качественный оптику;
• перейти на полнокадровую (фулфрейм) камеру.

Наращивание мегапикселов

Что произойдет с разрешением, если увеличить количество мегапикселов с 8,2 (у Canon 350D) до 15,5 (например, у Canon 500D)? Количество пикселей матрицы увеличится в 1,89 раза, вероятно, следует ожидать пропорциональный рост увеличения разрешающей способности фотоаппарата. На сайте PHOTOZONE.DE я вижу, что разрешение нашей системы увеличилось с 2164 линий (рис. 1) до 2440 (рис. 2) по высоте кадра, то есть в 1,13 раза по одной стороне матрицы, а по всей матрице: 1,13

2 = 1,28. Прирост 28%, против ожидаемых 89%, как же так?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, я поискал информацию о разрешающей способности объектива Canon 18-55. На сайте Dxomark.com было обнаружено, что его разрешающая сила соответствует 8 мегапикселов информации (строка Sharpness на рисунке 3). Сколько бы мы не наращивали мегапикселов в матрице, ограничителем резкости системы будет именно слабый объектив. Собственно, в фотоаппарате «Canon 350D + Canon 18-55» разрешение матрицы соответствует разрешающей силе оптики, такая система является сбалансированной.

Вывод: наращивание мегапикселов при объективе Canon 18-55 даст эффект, но не столь значительный, как ожидалось. Купив более качественный объектив, разрешающая сила фотоаппарата Canon 350D будет ограничиваться уже матрицей с небольшим числом мегапикселов. Подтверждением этому служит иллюстрация 1-4: с хорошим объективом Canon EF 50mm f/1.4 мы получим близкий с Canon 18-55 результат. Это же подтверждает и сайт g-foto.ru, показывая результат 2100 линий для системы «Canon 350D + Canon EF 50mm f/1.4». Улучшение данной системы практически невозможно.

Улучшаем объектив

Слава богу, что современные камеры не столь слабы, как Canon 350D, и скорей всего вы имеете «на борту» больше мегапикселов, например, Canon EOS 500D с матрицей на 15,5 мп. Напомню, что с такой матрицей Canon 18-55 выдавал разрешение 2164 линии. Попробуем найти для камеры более качественный объектив. Canon EF-S 17-85mm f/4-5.6 USM IS «выдаст на гора» 2556 линий по высоте кадра (рис. 4), то есть в 1,18 раза больше. А по всей площади кадра мы получим прирост количества информации в 1,18

2 = 1,4 раза. Очень не дурно… Собственно говоря, это всё, что мы сможем добиться от Canon 500D. Даже самая качественная оптика на этой фотокамере даёт схожие значения разрешающей силы. Например, очень резкий Canon EF 35mm f/2 USM IS, дает с нашей фотокамерой аж 2638 линий по высоте кадра (рис. 5), популярный Canon EF 50mm f/1. 4 показал 2600 линий (рис. 6), а профессиональные зуммы показали результат, схожий с «любительским» Canon 17-85mm.

Вывод: для современных камер с «кропнутой» матрицей оптимальным и по цене и по качеству использовать объектив, схожий по разрешающей силе с Canon 17-85. Использование дорогих профессиональных объективов даст едва ощутимый прирост количества информации в кадре.

Хотим больше!

Canon EF 24-105mm f/4 USM L IS непафосный, но хороший объектив, рабочая лошадка профессионального фотографа. На камере с кропнутой 15-ти мегапиксельной матрице она дает нам 2488 линий по высоте кадра (рис. 7). Но на полноформатном Canon 5D Mk II он выдаст 3400(!) линий (рис. 8). То есть количество информации по всей площади кадра увеличится в 1,37² = 1,86 раза. Очень хорошо!

Почему получился такой прирост? Все дело в размере матрицы. Предположим, что у нас есть объектив, который выдает 100 линий/мм. В «кропнутой» матрице таких миллиметров 15 (по высоте), значит, матрица сможет принять на себя 100х15 = 1500 линий. В полноформатной фотокамере высота матрицы 24 мм., и на матрицу будет передано уже 2400 линий. Это гигантское преимущество матриц большого размера.

Вывод: можно, конечно, купить к кропнутой фотокамере очень хороший профессиональный объектив, но полностью он проявит себя только на полноформатной фотокамере.

Еще больше?

Дальнейшее наращивание мегапикселов на полноформатной матрице вновь упрется в качество оптики. Уже 30-ти мегапиксельные камеры, чтобы раскрыться во всей своей красе, требуют самых лучших, самых дорогих объективов. Это не только дорого, но еще и неудобно, ибо от зумм-объективов, скорей всего, придется отказаться. Второй вариант наращивания резкости камеры – переход на среднеформатные матрицы, например Hasselblad с матрицей 53х40 мм. Но это совсем другая, фантастическая история.

Методика тестирования фотокамер iXBT.

com 2019 года

Разрешающая способность

Разрешающая способность камеры — понятие комплексное, складывающееся из нескольких параметров и условий. В наших статьях можно выделить три типа разрешающей способности:

• сенсора в RAW (считается, что ее значение может занижать только разрешение оптики),
• сенсора в JPG (ее могут занижать разрешение оптики и внутрикамерные алгоритмы шумоподавления),
• оптики (ее может занижать разрешение сенсора, такой вот замкнутый круг).

Разрешающая способность. Расчет

Определение разрешающей способности в нашей лаборатории производится по радиальной мире, закрепленной на стенде.

Лабораторный стенд. Fujifilm X-T30. ISO 200

Для расчета разрешающей способности на снимке миры определяется размер дефектной области в центре, где лучи миры уже неразличимы. Как правило, она имеет достаточно четкую границу, в противном случае выбирается среднее значение. Линейным параметром дефектной области в данном случае является ее диаметр (D) в сантиметрах. Далее высчитывается разрешение (R) по следующей формуле:

R = 120·L/(π·D·P),

где
L — длина снимка, см
D — диаметр дефектной области, см
P — число точек по длинной стороне снимка
120 — число лучей миры, линии
π — число пи, ≈3,14

В упрощенном варианте, позволяющем не учитывать разрешение печатного снимка, формула выглядит следующим образом:

R = 120·/(π·Dp),

где
Dp — диаметр дефектной области, пиксели
120 — число лучей миры, линии
π — число пи, ≈3,14

Радиальная мира и ее дефектная область

Разрешающая способность. Сенсор

При испытаниях разных камер параметры экспозиции должны быть одинаковыми, чтобы полученные данные можно было сравнивать.

Для определения зависимости разрешающей способности от светочувствительности камера устанавливается в режим приоритета диафрагмы, диафрагма фиксируется в среднем положении f/5,6—f/8 в зависимости от размера сенсора для исключения влияния ГРИП. Фокусное расстояние по возможности устанавливается в эквиваленте 50 мм, но при тестировании сенсора это не принципиально, поскольку для расчетов используется только центральная часть стенда.

Разрешающая способность определяется для двух сцен — светлой и темной. Светлая сцена имитирует обычные условия съемки с освещенностью около 3000 люкс. Она позволяет оценить поведение сенсора при съемке в помещении или на улице в пасмурный день. Темная сцена имитирует недостаточную освещенность около 100 люкс и необходима для оценки поведения сенсора при работе на длинных выдержках, поскольку в таких условиях проявляется эффект накопления шумов.

Компенсация экспозиции устанавливается:

• для темной сцены: −1 EV
• для светлой сцены: 0 EV

Поскольку освещенность в лаборатории не всегда можно выставить точно, да и светопропускание у разных камер разное, уровень яркости ламп регулируется по реперным точкам:

• для темной сцены при ISO 6400 выдержка 1/40 с
• для светлой при ISO 6400 выдержка 1/400 c

Фокус устанавливается вручную по радиальной мире. Затем делается несколько кадров при разных значениях светочувствительности — как правило, ISO 200, 400, 800, 1600, 3200 и 6400. Вручную меняется только значение светочувствительности — по возможности дистанционно во избежание «шевеленки» (по той же причине следует производить спуск дистанционно или с отложенным стартом). Выдержка подстраивается автоматически. Остальные параметры остаются без изменений.

После расчета данные приводятся на графике в виде зависимости разрешающей способности от светочувствительности.

Зависимость разрешающей способности сенсора от светочувствительности

Для камер не самого низкого класса также исследуется расширенный диапазон светочувствительности. К сожалению, пока большинство камер на повышенных ISO демонстрируют посредственные результаты, расширенный диапазон исследуется редко. Но максимальное рабочее значение ISO зависит от поставленных задач, поэтому иногда дополнительно приводятся расширенные кривые разрешающей способности.

Зависимость разрешающей способности сенсора от светочувствительности, расширенный диапазон

Для оценки величины шумов и деградации цветов с повышением светочувствительности приводятся фрагменты серой карты.

Разрешающая способность. Оптика

При определении зависимости разрешающей способности от диафрагменного числа камера устанавливается в режим приоритета диафрагмы. Светочувствительность устанавливается на минимум (ISO 100-200). Фокус камеры устанавливается вручную по радиальной мире при максимальном раскрытии диафрагмы. Далее производится серия снимков, диафрагма меняется вручную, по возможности дистанционно. Выдержка подстраивается автоматически. Остальные параметры остаются без изменений.

После расчета данные приводятся на графике в виде зависимости разрешающей способности от диафрагменного числа.

Зависимость разрешающей способности объектива от диафрагменного числа

 

Камеры, не имеющие полноценного ручного режима и возможности съемки в RAW, тестируются по упрощенной методике, как и камеры смартфонов.

Стабилизатор

Для оценки эффективности стабилизатора используется так называемая «таблица офтальмолога». При съемке камера устанавливается в ручной режим. Рекомендуемое фокусное расстояние для теста — 50 мм, но допускается иное, только нужно учесть это при расчете эффективности. Диафрагма фиксируется в среднем положении f/5,6—f/8 в зависимости от размера сенсора для исключения влияния ГРИП. Выдержка изменяется вручную примерно от 1/20 до 1 с. Фотограф встает на расстоянии примерно 5 метров от таблицы и делает по десять снимков на каждом значении выдержки, держа камеру на полусогнутых руках, как при обычной съемке.

Лабораторный стенд «таблица офтальмолога» для тестирования автофокуса и стабилизатора. Читаемость строк: 10 из 10

Затем снимки обрабатываются фотографом по принципу «сколько строк читаемо на снимке, столько и баллов — от 0 до 10». Баллы суммируются для каждого значения выдержки, таким образом мы получаем вероятность хорошего снимка в процентах. Считается, что если камера способна выдать более 70% четких снимков при данной выдержке, это значение можно считать рабочим.

Эффективность стабилизатора определяется на основе следующего принципа: для получения резкого снимка на некоем ЭФР максимальная выдержка должна быть не длиннее 1/ЭФР. То есть на 50 мм для получения резкого снимка мы устанавливаем наибольшую выдержку 1/50 с, а при более длинных уже работает стабилизатор. В данном случае мы оперируем не 100%-ной гарантией резкости, а вероятностью получения резкого снимка в 70%, поскольку 100% резких снимков получить сложно и это было бы слишком жестким условием для проверки стабилизатора, оторванным от реальности. То есть считается, что при съемке на выдержке равной 1/ЭФР мы получаем резкий снимок в 7 случаях из 10 без стабилизатора. Стабилизатор же позволяет нам отодвинуть критическое значение выдержки на несколько ступеней экспозиции.

Правило «1/ЭФР» — условное и приблизительное, и в зависимости от условий съемки, оптики или камеры нулевая отметка может гулять. Используя это правило, мы определяем ее с точностью ±1 ступень экспозиции, поэтому наши данные могут немного не совпадать с данными, полученными по стандарту CIPA DC-X011. Точность определения эффективности стабилизатора можно повысить, если делать замеры со стабилизатором и без, а затем считать разницу. Это позволит приблизиться к стандартизированным измерениям, но результат все равно будет от них отличаться (как минимум из-за различия самих методик), а трудоемкость увеличится вдвое. Выявленное на практике неплохое совпадение измеренной эффективности большинства стабилизаторов с заявленными производителем данными говорит о том, что и в таком виде наша методика работает с неплохой точностью.

На графике ниже приведен условный пример объектива с фокусным расстоянием 50 мм и стабилизатором с эффективностью в 4 ступени экспозиции. При съемке без стабилизатора мы можем получить резкий снимок с вероятностью 70% на выдержке 1/50 секунды. Увеличивая выдержку, мы уменьшаем вероятность резкого снимка. При включении стабилизатора мы отодвигаем эту критическую точку на 4 ступени и, таким образом, можем получить резкий снимок с вероятностью 70% на выдержке 1/3 секунды.

В таблице ниже приведены примеры расчета эффективности стабилизатора в ступенях экспозиции для некоторых популярных ЭФР.

Выдержка, 1/с	ЭФР, мм
	400	105	85	50	35	24
400
320	⅓
250	⅔
160	1
125	1⅓
100	1⅔
80	2	⅓
60	2⅓	⅔	⅓
50	2⅔	1	⅔
40	3	1⅓	1	⅓
30	3⅓	1⅔	1⅓	⅔	⅓
25	3⅔	2	1⅔	1	⅔
20	4	2⅓	2	1⅓	1	⅓
15	4⅓	2⅔	2⅓	1⅔	1⅓	⅔
13	4⅔	3	2⅔	2	1⅔	1
10	5	3⅓	3	2⅓	2	1⅓
8	5⅓	3⅔	3⅓	2⅔	2⅓	1⅔
6	5⅔	4	3⅔	3	2⅔	2
5	6	4⅓	4	3⅓	3	2⅓
4	6⅓	4⅔	4⅓	3⅔	3⅓	2⅔
3	6⅔	5	4⅔	4	3⅔	3
2,5	7	5⅓	5	4⅓	4	3⅓
2	7⅓	5⅔	5⅓	4⅔	4⅓	3⅔
1,6	7⅔	6	5⅔	5	4⅔	4
1,3	8	6⅓	6	5⅓	5	4⅓
1	8⅓	6⅔	6⅓	5⅔	5⅓	4⅔

К примеру, если для фикса 85 мм на выдержке 1/3 с (она же 0,3 с) мы получаем 7 из 10 хороших снимков, а на выдержке 1/2,5 с (она же 0,4 с) — уже только 6 из 10, то эффективность стабилизатора берется по выдержке 1/3 с и составляет 4⅔ EV.

После расчета данные приводятся на графике в виде зависимости вероятности получения хорошего снимка от продолжительности экспозиции.

График эффективности стабилизатора объектива

Автофокус

Для оценки скорости и точности автофокуса используется та же «таблица офтальмолога». При съемке камера переводится в режим приоритета диафрагмы. Диафрагма устанавливается в положение максимального раскрытия, чтобы избежать влияния ГРИП. Рекомендуемое фокусное расстояние для теста — 50 мм, но допускается иное. Выдержка устанавливается не ниже 1/100 с, чтобы исключить влияние «шевеленки». ISO выставляется в автомат. Фотограф встает на расстоянии примерно 10-15 метров от таблицы и делает тридцать снимков, после каждой тройки приближаясь к мишени на шаг. Каждый снимок выполняется только после того, как камера сфокусировалась и подтвердила это соответствующим сигналом. Все это озвучивается и записывается на диктофон, чтобы потом оценить время, затраченное на тридцать снимков. Тест прогоняется два раза при −1 EV и −2 EV. При расчетах результаты усредняются.

Время съемки оценивается по звуковой дорожке в любом аудиоредакторе.

Звуковая дорожка тридцати щелчков затвора при тестировании автофокуса

Снимки оцениваются так же, как и в тесте стабилизатора, то есть по принципу «сколько строк читаемо на снимке, столько и баллов — от 0 до 10». Баллы суммируются и делятся на 30 — таким образом мы получаем среднюю точность автофокуса по шкале от 1 до 10 (или в процентах, если результат умножить на 10). Рейтинг средней скорости автофокуса получается делением 100 на время, затраченное на все 30 снимков — от первого подтверждения автофокуса до последнего щелчка затвора.

После расчета данные приводятся на графике в виде гистограммы для сравнения с другими камерами.

Гистограмма сравнения скорости и точности автофокуса разных камер

Скорость серийной съемки

Для определения скорости серийной съемки, как правило, используется карта памяти SD UHS-I 95 МБ/с, если специально для тестирования камеры не предоставляется более скоростная. В большинстве случаев хватает имеющейся. Желательно, чтобы карта памяти была свободна хотя бы наполовину.

Камера ставится на стол рядом со включенным диктофоном. Съемка продолжается 20-30 секунд или до первой сотни кадров. Порой можно уложиться и в меньшее время, если буфер забьется быстрее. Поскольку камера сохраняет кадры сначала в свой буфер и только оттуда на карту памяти, при заполнении буфера скорость съемки падает, если карта памяти не успевает принимать нужный объем. Такое практически всегда происходит при высокоскоростной съемке в RAW.

Звуковая дорожка при тестировании скорости серийной съемки в RAW

Скорость съемки характеризуют две величины: первая скорость — та, с которой съемка начинается и продолжается до заполнения буфера (обычно ее указывают в технических характеристиках камеры), и вторая скорость — та, с которой съемка продолжается после заполнения буфера. Также при описании указывается длительность работы на максимальной (первой) скорости, которое позволяет рассчитать максимальное количество кадров, отснятое с этой скоростью.

После расчета данные приводятся в таблице и сравниваются с паспортными.

Режим	Первая скорость	Предел первой скорости	Вторая скорость
JPEG Low	3,0 к/с	∞	—
JPEG High	8,0 к/с	16,8 с	4,8 к/с
RAW Low	3,0 к/с	∞	—
RAW High	8,1 к/с	6,9 с	1,9 к/с

В таблице приведены значения средней скорости съемки для разных режимов. Символ бесконечности означает, что при съемке ста кадров скорость не изменилась.

Для тестирования скорострельности в бесшумном режиме с использованием электронного затвора применяется более простая, но менее точная методика. Поскольку звук при такой съемке отсутствует, время оценивается по секундомеру: кнопка спуска камеры зажимается на 5-10 секунд, а затем считается количество снимков, сделанных за это время.

что это? Предел разрешения фотоаппарата. Как узнать и в чем измеряется расширяющая способность фотообъектива?

Фотоаппараты сегодняшнего дня ушли от своего прародителя настолько далеко, что немногие помнят, как выглядела первая фотокамера. Её прообразом считают камеру-обскура, и первые упоминания о ней встречаются в V—IV веке до н. э. В Средние века её использовали для наблюдений за солнечными затмениями и астрономическими явлениями. Но возвратимся в настоящее, к нашим привычным «зеркалкам» и «цифровикам» и рассмотрим особенности разрешающей способности объектива.

Что это такое?

Рассматривая фотографию, зритель видит чёткость или размытость изображения. Конечно, всегда отдаётся предпочтение максимально резким снимкам, если речь не идёт о тех художественных задумках, где размытый задний план или угол являются специальным эффектом. Так вот, за чёткость изображения отвечает разрешающая способность объектива. Разрешающая сила — это возможность разделить на изображении расположенные рядом мелкие точки настолько хорошо, чтобы их можно было видеть на снимке.

Когда рассматривают светочувствительность матрицы, всё внимание уделяют именно её разрешению. Но объектив играет не меньшую, если не большую роль в качестве изображения. Проще говоря, всё зависит от того, сколько точек попадёт от него на матрицу. Разрешение неодинаково в центре и по краям изображения.

На это влияют недостатки оптики, у одних объективов разрешающая сила начинает идти на спад у самого края изображения, для других характерно плавное снижение от центра к периферии. На уменьшение показателей влияет увеличение фокуса — у короткофокусных зумов разрешающая сила больше, чем у длиннофокусных.

Качество прорисовки мелких деталей — это показатель разрешения, за что отвечает чип внутри камеры. Он содержит многомиллионный набор светочувствительных точек. А поскольку именно от размера датчика зависит, какое количество света попадёт на фотографию, то чем больше датчик, тем лучше изображение. Минимальное расстояние между пикселями — это предел разрешения. Стандартные размеры датчиков, это 16 миллиметров, Super 35 мм, 65 миллиметров.

Как определить?

Разрешающая сила фотообъектива измеряется тестовой мирой. Миры состоят из чёрно-белых полосок определённой плотности и разделяются на штриховые и радиальные. Изображение миры фотографируют и изучают путём увеличения в микроскоп. Можно узнать определения силы разрешения с помощью графика MTF, это показатель частотно-контрастных характеристик. Эти графики есть в технических документах продукта, они позволят понять разрешение зума.

Измерение происходит в двух линиях на один миллиметр и показывает сопоставление разрешения и часто встречающихся параметров. Для того чтобы понять график, нужно знать, что на горизонтальной оси показано расстояние штрихов от центра кадра в миллиметрах. На вертикальной оси — параметр MTF, который и есть показатель резкости. Проще говоря, чем выше график, тем лучше.

При выборе объектива как раз очень полезно обращать внимание на графики.

Как выбрать объектив?

Как показывает статистика, большинство из тех, кто когда-то приобрёл зеркальный или цифровой фотоаппарат, продолжают использовать китовый объектив – тот, что был в комплекте. Они недорогие и довольно посредственные в конструктивном отношении. Слабая оптика почти никогда не даёт качественного изображения. Хороший, правильно подобранный объектив поднимет качество изображения.

Первое, на что обращают внимание, это фокусное расстояние.

• Стандартные объективы передадут видимую перспективу так же, как это воспринимается человеческим зрением.
• Широкоугольные захватывают большие участки пространства.
• Длиннофокусные, их ещё называют «телевики», хорошо приближают и рассчитаны на съёмку объектов на далёких расстояниях.

Сверхширокоугольные (рыбий глаз) способны захватить в кадр ноги самого? фотографа. Чтобы выбрать фотокамеру по разрешающим параметрам, надо иметь чёткое представление о задачах, которые перед ней будут стоять. Чем дальше расстояние планируемых съёмок, тем выше разрешающая способность выбирается.

• Съёмка с расстояния менее 4 метров с успехом выполняется камерой с любым разрешением.
• Расстояние до 8 метров уже потребует разрешение 540-600 твл.
• Свыше 8 метров необходимая разрешающая способность от 600 твл.

При выборе следует учесть размер матрицы камеры, для которой приобретается объектив. Уровень освещённости имеет немаловажное значение для выбора. При постоянной освещённости можно взять модель с фиксированной диафрагмой, как самую недорогую. В случае небольших изменений светового потока уместно использование ручного управления диафрагмой.

Если известно, что камера требуется для ночных съёмок, при естественном, постоянно меняющемся свете лучше взять объектив с автоматической регулировкой. От яркости освещения выбирают светосилу. В этом случае всё зависит от величины отверстия зума, которое влияют на диапазон светового потока. Показатель F/2,8 означает, что световой поток будет в 2 раза больше, чем при показателе F/4. Каждое увеличение числа F, это уменьшение в 2 раза силы светопотока.

Для портретных изображений выбирают зумы с высокой светосилой, как и для видов съёмок, требующих короткой выдержки, например, спортивных состязаний. Зумы всегда имеют меньшую светосилу, чем объективы с фиксированной фокусной длиной, и делятся на постоянную и переменную светосилу. А также смотрят на тип крепления, необходимо, чтобы они совпадали между камерой и объективом. Профессионалы советуют оставлять предпочтение за современными моделями, поскольку за последние 3 года случились заметные изменения в лучшую сторону в оптических технологиях. Большинство профи отмечают серьёзные недостатки в суперзумах:

• несовпадения заявленных фокусных расстояний с «рабочими»;
• искажения геометрических линий и аберрации;
• предельно невысокая светосила при длинном конце.

Для туризма считается оптимальным вариантом 5-8-кратный зум. Для портретной съёмки — светосильный объектив с постоянным фокусным расстоянием, для пейзажа — широкоугольный. И напоследок, из области научно-популярной фантастики: некоторые специалисты считают, что в будущем фотокамеры будут не зеркальными, а с прозрачной матрицей. Корпус из материалов, несущих функции памяти и электронных плат, заменит карты памяти и пр.

О разрешающей способности объектива смотрите в следующем видео.

Разрешающая сила объектива — Вики

Разреша́ющая си́ла объекти́ва — параметры фотографического объектива, характеризующие его свойства по передаче чёткого изображения.

Разрешающая способность объектива оценивается по количеству воспроизводимых штрихов на 1 мм изображения, который тот способен спроецировать на фоточувствительный элемент (плёнку или матрицу цифровой камеры). Измерения разрешающей способности проводят с помощью специальных мир.

Причины неоднородности РС по полю изображения

Падение разрешения на краях изображения вызывается наличием у объектива аберраций, значение которых на краях всегда больше, чем в центре.

Разрешающая сила у объективов одинаковой конструкции уменьшается с увеличением главного фокусного расстояния: у короткофокусных (широкоугольных) она выше, чем у длиннофокусных.

Разрешающая сила объектива возрастает с уменьшением относительного отверстия (диафрагмированием), достигая максимума около 1:8, а затем уменьшается, так как сначала при диафрагмировании происходит улучшение изображения за счет уменьшения аберраций, а потом ухудшение за счёт дифракции.

Фотографические объективы служат для получения изображения на фотоматериале или цифровой матрице, которые также обладают определённой разрешающей способностью. Поэтому для полного использования разрешающей силы объектива следует использовать его с соответствующими фотоматериалами или матрицами, разрешающая способность которых равна или выше разрешающей способности объектива, так как разрешающая способность системы объектив + светочувствительный элемент всегда ниже разрешения каждого компонента.

Методы определения

Для определения разрешающей силы объектива используют различного вида ми́ры — испытательные таблицы с нанесёнными на них штрихами различной ширины и длины.

Разрешающая сила объектива по ГОСТ в СССР измеряется в линиях на 1 мм, она всегда больше в центральной части изображения и меньше на его краях. Современные данные могут оперировать иным способом оценки числа линий, когда учитываются как чёрные, так и белые линии. Разрешение при этом численно удваивается, не меняясь по сути.

Разрешающая способность системы объектив + светочувствительный элемент приближенно определяется по формуле:

1RS=1RO+1RE{\displaystyle {\frac {1}{R_{S}}}={\frac {1}{R_{O}}}+{\frac {1}{R_{E}}}},

где RO{\displaystyle R_{O}\!} – разрешающая сила объектива в линиях на 1 мм; RE{\displaystyle R_{E}\!} — разрешающая сила светочувствительного элемента в линиях на 1 мм.

Литература

Яштолд-Говорко В. А. Фотосъёмка и обработка. Съёмка, формулы, термины, рецепты. Изд. 4-е, сокр. М., «Искусство», 1977.

Лабораторный тест с Петром Мудреновым: кинообъективы Fujinon MK

Отсутствие «дыхания», сохранение фокусировки при зуммировании, ручное управление и высокое качество изображения — оператор Петр Мудренов изучил характеристики недорогих объективов Fujinon и сравнил их с профессиональной кинооптикой

 

Преподаватель кинооператорского факультета ВГИК, Петр Мудренов, изучил возможности объективов Fujinon MK 18-55mm и MK 50-135mm в лабораторных условиях, протестировав их на оптической скамье.

 

От автора Петра Мудренова: У фотографов сложилось негативное отношение к качеству изображения бюджетных зумов. Чтобы получить фотографии с высокой резкостью, они чаще выбирают объективы с фиксированным фокусным расстоянием. Действительно, при производстве дискретного объектива все усилия разработчиков направлены на максимальное устранение аберраций, тогда как в оптике с переменным фокусным расстоянием используются дополнительные блоки линз, обеспечивающие трансфокацию и вносящие дополнительные искажения в изображение.

 

 

В видеосъемке к объективам с переменным фокусным расстоянием возникает дополнительный ряд требований, которым фотооптика не отвечает. К ним, в первую очередь, относится сохранение дистанции фокусировки при трансфокации. Ведь фотограф настраивает резкость после того, как построил композицию кадра и выбрал нужное положение зума. На такой алгоритм работы и ориентированы фотообъективы. В результате во время видеосъемки при переводе фокуса уходит резкость.

Еще одно важное условие — ручная фокусировка с длинным пробегом фокусировочного кольца, что позволяет намного точнее контролировать резкость. Также обязательно наличие зубчатых колец для дистанционной регулировки фокуса и зума.

 

 

Объективы Fujinon MK18-55 T2.9 и Fujinon MK50-135 T2.9 обладают всеми этими особенностями. К достоинствам можно также отнести их одинаковый вес и геометрию: диаметр передней линзы и резьбы под светофильтр, идентичное расположение колец регулировки диафрагмы, фокуса и зума. Благодаря этому, при смене объектива не приходится заново балансировать камеру на штативе и перенастраивать компендиум и фоллоуфокус. Кольцо фокусировки можно вращать на 200 градусов, что позволяет переводить фокус вручную за один поворот кисти и обеспечивает необходимую точность при использовании фоллоуфокуса.

В сети много красивых роликов, снятых этими объективами. Поэтому в этом обзоре мы решили сосредоточится на лабораторном тестировании оптики.

 

 

В лаборатории оптики операторского факультета ВГИК мы провели тест разрешающей способности объективов на оптической скамье.

Оптическое разрешение, измеренное по мире через микроскоп, приятно удивило. На открытой диафрагме присутствует остаточная сферическая аберрация, но уже с диафрагмы 4 разрешение очень высокое. При дальнейшем закрытии диафрагмы разрешающая способность оптики снижается за счет влияния дифракции. На «длинном» конце зума разрешение традиционно ниже, чем на широком угле. У объектива Fujinon MK18-55 T2.9 измеренная разрешающая способность при фокусном расстоянии 18 миллиметров и диафрагмах 4-5,6 даже превысила теоретически возможный дифракционный предел. Это вызвано тем, что в расчетах используется геометрическое значение диафрагмы, а шкала диафрагм указывает эффективную светосилу. Так, например, значение диафрагмы T2.9, определяющее светосилу у данного объектива, соответствует геометрическому значению диафрагмы F2.75.

 

 

Измерения на оптической скамье дифракционной картины точки показали практически идеальную соосность линз объективов и качество сборки компонентов. В целом увиденная картина характерна скорее для качественных дискретных объективов, нежели для трансфокаторов. По резкости изображения тестируемые объективы не должны уступать качественной дискретной кинооптике уровня Zeiss Ultra Prime и вполне могут заменить ее на съемках.

 

 

В практической съемке на конечное разрешение изображения, кроме оптических характеристик объективов, оказывают влияние и другие факторы, связанные с камерой и обработкой изображения. Например, наличие и тип OLPF-фильтра, который в некоторых камерах может быть сменным. Нативное разрешение сенсора и тип применяемого на нем фильтра Байера. Так, в некоторых камерах Sony используется диагональная структура фильтра Байера. Также разрешение будет зависеть и от постобработки: алгоритмов дебайеринга, изменения контрастности изображения и разрешения при проекции.

В нашем тесте объективов Fujinon использовалась камера Sony PXW-FS7M2 с разрешением сенсора 4К. Съемка проводилась в гамме SLog3 в кодеке XAVC-I при максимальном разрешении. При обработке в DaVinci Resolve использовался 3DLut — Rec709. Оценка съемки тестового стенда с радиальными мирами выявила незначительную разницу разрешающей способности на разных диафрагмах.

 

 

Фотографическое разрешение в центре кадра составило около 88% на диафрагмах 2.8 и 16, и 90% на средних значениях. Это значит, что на изображении можно различить 1940 линий по вертикали кадра. Хоть оптическое разрешение объектива заметно меняется на разных значениях диафрагмы, итоговое разрешение изображения при съемке в 4К будет одинаково высоким. Разрешающая способность по краю кадра составила 75%. Это говорит о том, что объективы обладают равномерной резкостью по всему полю кадра. Чаще всего таким оптическим рисунком обладают фотографические или телевизионные объективы, в отличие от некоторых кинообъективов, у которых бывает заметное снижение резкости к краям кадра. Оценивая изображение по краям кадра, мы не заметили присутствия хроматической аберрации даже на широком угле у объектива Fujinon MK18-55 T2. 9.

 

 

Объективы Fujinon MK18-55 T2.9 и Fujinon MK50-135 T2.9 в варианте байонета «Е» имеют кольцо настройки рабочего отрезка. Это позволяет на любой камере при трансфокации сохранять точность фокусировки (у объективов, сделанных под байонет камеры Fujinon, такого кольца нет и рабочий отрезок отъюстирован при производстве). Несложная юстировка рабочего отрезка занимает пару минут. После этого кольцо регулировки фиксируется зажимным винтом, и, как показали наши тесты, точность фокусировки при зуммировании объективов остается идеальная.

 

Тест на сохранение дистанции фокусировки

 

При сравнении кадров, снятых на крайних значениях фокусных расстояний, можно заметить незначительную дисторсию. Объектив Fujinon MK18-55 T2.9 на фокусном расстоянии 18 мм имеет небольшую «бочку», а на 55 мм — «подушку». В сюжетных кадрах дисторсия практически незаметна и при желании легко корректируется в программе DaVinci Resolve. У длиннофокусного объектива Fujinon MK50-135 T2.9 дисторсия проявляется значительно слабее.

 

 

Отсутствие дыхания при переводе фокуса — наиболее важная характеристика объектива, предназначенного для видеосъемки. У объективов Fujinon MK18-55 T2.9 и Fujinon MK50-135 T2.9 дыхание настолько незначительно, что можно считать, что оно полностью отсутствует.

 

Тест на «дыхание» при переводе фокуса

 

Перед тестом мне попал в руки рекламный проспект оптики Fujinon MK: «высочайшие оптические характеристики», «легендарное качество», «премиум-класс» — все эти эпитеты воспринимались как рекламный текст и вызывали естественное чувство недоверия. Хотя оптика Fujinon часто используется в кинематографе (на объективы старшей серии HK, ZK и XK снимались такие фильмы, как «Обливион» и «Марсианин»), захотелось проверить, на что способна бюджетная линейка оптики MK, именно в лаборатории. В результате теста объективы оставили приятное впечатление — по обозначенным параметрам они дают безупречное изображение, сравнимое не только с более дорогими зумами, но и с дискретной кинооптикой.

 

 

Максимальная резкость обеспечивается на всем диапазоне диафрагм в разрешении 4К. Качественная сборка и соосность линз не создает смещения центра изображения при зуммировании и фокусировке. Отсутствие «дыхания» позволяет сохранять композицию кадра во время перевода фокуса. Девятилепестковая диафрагма создает приятный рисунок расфокуса. Длинный ход кольца фокусировки и общая продуманность конструкции делает эти объективы очень удобными для видеосъемки. Высокие оптические характеристики создают несколько «стерильное», лишенное индивидуальности изображение. Но при съемке на диафрагмах больше 4 все объективы рисуют практически одинаково и на экране довольно сложно бывает отличить один объектив от другого. В этом случае всего два объектива Fujinon могут заметить целую линейку дискретной оптики и существенно упростить работу оператора. Если оператору хочется придать изображению задуманную оптическую стилистику, то придется использовать светосильные дискретные объективы.

Главным недостатком объективов Fujinon MK18-55 T2.9 и Fujinon MK50-135 T2.9 я считаю отсутствие варианта с популярным байонетом «EF», что сильно снижает возможности использования этой оптики.

 

Следующая страница: Fujinon MK 18-55mm и MK 50-135mm: снимаем концерт Манижи в «Известия Hall»

 

 

---

Источник: tvkinoradio.ru

Идеальный объектив

В предыдущей статье Вы уже определились с параметрами промышленной камеры, которая подходит для решения Вашей задачи. Настало время выбрать для нее объектив. Они различаются не только типом, разрешающей способностью, углом зрения и размерами, но и конструкцией. Кроме того следует обратить внимание на оптическое разрешение и спектральную пропускную способность объектива.

#1 Какие типы объективов существуют?

Объектив может быть обычным, с разным фокусным расстоянием: широкоугольным, макрообъективом, с переменным или фиксированным фокусным расстоянием, телецентрическим, специальным для «заглядывания» в трубу (эндоскопическим) или для 360° охвата. Кроме того, существуют специальные объективы для съемки в ближнем инфракрасном диапазоне — спектральная пропускная способность объектива.

В классической фотографии часто используются объективы с переменным фокусным расстоянием (вариофокальные или зум-объективы), с помощью которых можно приближать и отдалять «картинку». В большинстве случаев в системах машинного зрения используются объективы с фиксированным фокусным расстоянием, ведь они дают меньшие оптические искажения и имеют лучшее пространственное разрешение, что позволяет производить измерения параметров с более высокой точностью. Кроме того, при разработке система настраивается под конкретный процесс и в изменении фокусного расстояния чаще всего нет необходимости. Вариофокальный объектив может быть полезен при разработке системы высококачественного видеонаблюдения на базе машинного зрения, когда обычная IP-камера не может обеспечить требуемое качество изображения.

В данной статье речь пойдет об обычных объективах, поскольку именно они чаще всего применяются в системах машинного зрения.

Объективы с фиксированным фокусным расстоянием:

• Обычные:
     ○ Широкоугольные — до 8 мм;
     ○ Нормальные — от 8 до 100 мм;
     ○ Телеобъективы — свыше 100 мм.

Такие объективы подобны зрачку человеческого глаза: удаленные объекты кажутся меньшими по размеру, тогда как приближенные — более крупными.

• Специальные:
     ○ Макрообъективы — для захвата изображения с малого расстояния. Коэффициент усиления данного объектива больше 1;
     ○ Эндоскопические — объектив, имеющий малое фокусное расстояние (от 3 до 20 мм) и угол зрения от 50 до 135°, а иногда и более;
     ○ 360° оптика — позволяет осуществлять полную проверку объекта с использованием как можно меньшего количества камер. Например, с помощью 360° объектива достаточно получить одно изображение для обзора верхней и боковой части объекта или внутренней части полости;
     ○ Телецентрический объектив — объектив, в котором отсутствуют перспективные искажения и дифракция. Это позволяет производить измерения геометрии объектов с высокой точностью.

#2 Размер сенсора

Существует термин «поле изображения объектива», который означает площадь, на которую падает свет, проходящий через объектив. Информативным параметром «поля изображения объектива» является его диаметр, который, так же как и формат сенсора камеры (d), указывается в дюймах.

При неправильном подборе оптики возможно «виньетирование» изображения — явление частичного затемнения углов изображения. Такой эффект может возникнуть, если диагональ сенсора камеры окажется больше диаметра поля изображения объектива.

В идеальном случае объектив 1/3″ с креплением C-Mount (о креплении Вы узнаете в следующем пункте) следует устанавливать на камеру с сенсором формата 1/3″. В этом случае достигается оптимальное использование поля изображения. Если тот же объектив установить на камеру с диаметром сенсора 1/2″, то возникнет виньетирование.

Запомните! Диаметр поля изображения должен соответствовать диагонали сенсора или превышать его!

#3 Чем отличаются крепления?

Соединение между корпусом камеры и объектива называется креплением. Крепления соответствуют определенному стандарту и маркируются по типу резьбового соединения на стороне камеры.

Крепление объектива	S-Mount	CS-Mount	C-Mount	M42×1	F-Mount
Размер сенсора камеры	От 1/6″ до 1/2.5″	От 1/2″, 1/3″ и меньше	1/2″, 2/3″ и 1″	13/8″ и меньше
Тип камеры	Матричная	Матричная	Матричная, линейная	Линейная
Возможность установки на камеру с резьбой CS-Mount	Необходимо переходное кольцо	Да	Необходимо переходное кольцо	Нет
Стоимость	$	$$	$$$	$$	$$

#4 О чем говорит разрешающая способность объектива?

Объектив должен обладать достаточной разрешающей способностью, соответствующей размерам пикселя матрицы. Разрешающая способность объектива указывается в парах линий на миллиметр и определяет, сколько линий можно четко различить в одном миллиметре. Чем больше пар линий различимо, тем выше разрешающая способность объектива.

Зная число пар линий на миллиметр N у объектива (указывается в технической документации), можно определить размер пикселя объектива X × X [мкм×мкм]. Для этого воспользуйтесь формулой:

Полученное значение необходимо сравнить с размером пикселя матрицы камеры, которая была выбрана ранее.

Запомните! Размер пикселя объектива должен быть меньше либо равен размеру пикселя матрицы!

#5 Объектив с каким фокусным расстоянием выбрать?

Фокусным расстоянием называется расстояние между оптическим центром объектива и матрицей. Все проходящие лучи света, параллельные оптической оси, пересекаются в точке фокусировки. Таким образом, фокусное расстояние f объектива зависит от преломляющей способности установленных в нем линз и выражается в миллиметрах.

Стоит заметить, что чем меньше фокусное расстояние, тем больше угол обзора, больше оптические искажения и меньше рабочее расстояние.

Фокусное расстояние определяется шириной сенсора, параметрами объекта и рабочим расстоянием. У каждого объектива существует минимальное рабочее расстояние (указывается в характеристиках), которое необходимо учитывать при проектировании системы. Для того чтобы Вам было проще рассчитать фокусное расстояние для Вашей системы, мы предлагаем воспользоваться онлайн-калькулятором.

#6 Что такое диафрагма, и на что она влияет?

Выбор значения диафрагмы объектива непосредственно влияет на качество и яркость изображения. Число F (или деление диафрагмы) представляет собой отношение фокусного расстояния к диаметру отверстия объектива и определяет, насколько раскрыта диафрагма.

Высокое число F означает, что диафрагма раскрыта мало, то есть на сенсор попадает мало света. Если же диафрагма раскрыта широко, то на сенсор попадает больше света, а значит, для получения качественного изображения потребуется меньше дополнительных источников света.

Следовательно, в условиях недостаточной освещенности съемку следует вести с широко раскрытой диафрагмой. Однако при малом раскрытии диафрагмы уменьшаются нежелательные явления, такие как виньетирование и другие аберрации, а также увеличивается глубина резко изображаемого пространства^(❓).

Подведем итог

Основываясь на данной статье, Вы можете с помощью фильтра в каталоге определить какие объективы подходят для Вашей камеры.

После подбора оптики проконтролируйте себя и ответьте на следующие вопросы:

1. Крепление объектива совпадает с креплением камеры? Если нет, то имеется ли возможность использовать переходное кольцо?
2. Рассчитанное фокусное расстояние совпадает с фокусным расстоянием, которое обеспечивает выбранный объектив?
3. Можно ли использовать выбранный объектив для Вашего рабочего расстояния?
4. Диаметр поля изображения объектива соответствует диаметру сенсора выбранной камеры?

Если Вы получили 4 утвердительных ответа, то мы Вас поздравляем! Вы абсолютно верно подобрали объектив для проектируемой системы машинного зрения.

Центр клиентской поддержки — Meiji Techno (Мейджи Техно)

Часто задаваемые вопросы о микроскопах

На сайте Meiji Techno вы также можете скачать руководства по эксплуатации, каталоги и брошюры изделий, нажмите здесь.

В чем разница между стереомикроскопом и сложным микроскопом?

Сложный микроскоп имеет один оптический путь, разделяемый в окуляре на идентичные изображения слева и справа. Стерео микроскоп можно представить, как два сложных микроскопа, стоящих на расстоянии, имитирующем расстояние между глазами. Это расстояние обеспечивает пространственное зрение в обычной жизни и объемное и неперевернутое изображение в стереомикроскопах.

В чем разница между разрешающей силой объектива и разрешением?

Разрешающая сила характеризует способность объектива четко разграничивать две близких друг к другу точки или линии. Чем короче расстояние между точками или линиями, тем больше разрешающая сила. Также чем выше значение Ч.А. (числовой апертуры) объектива, тем больше его разрешающая сила. Разрешение — это способностью различать две точки как две точки. Для получения необходимого качества изображения следует соблюдать баланс между разрешающей силой и разрешением.

Как числовая апертура и увеличение влияют на яркость изображения?

Чем выше значение числовой апертуры для конкретного увеличения, тем ярче изображение. Чем больше увеличение, тем меньше яркость изображения.

Что такое «глубина резкости»?

Расстояние между ближней и дальней границами объекта, которые выглядят достаточно четко при рассмотрении с помощью оптического инструмента. Глубина резкости зависит от объективов, окуляров и увеличения трубки. Чем выше увеличение, тем меньше глубина резкости.

Что такое диоптрическая коррекция или настройка?

Диоптрическая коррекция — это компенсация дальнозоркости или близорукости зрения пользователя.

Что такое вынос зрачка?

Лучи света от всех точек поля зрения собираются в одной точке, где должен располагаться глаз пользователя.

Что означает «величина поля»?

Это диаметр линзы окуляра, выраженный в миллиметрах.

Что такое «поле зрения»?

Поле зрения — это часть наблюдаемого объекта, которую можно видеть с помощью определенной комбинации оптики. Представляет собой круглую область, наблюдаемую в микроскопе. Поле зрения оптического прибора зависит от его увеличения — чем выше увеличение, тем меньше поле зрения. В большинстве случаев показатель величины поля окуляров можно использовать для расчета размера поля зрения, используя следующую формулу:

Размер поля = Величина поля ÷ Увеличение объектива

Что такое межзрачковое расстояние?

Это расстояние между центрами зрачков ваших глаз.

Что значит термин «парфокальный»?

Если стереомикроскоп «парфокален», препарат можно рассматривать с минимальным и максимальным увеличением без дополнительной фокусировки.

Что такое рабочее расстояние?

Рабочее расстояние — это расстояние между объектом (плоскостью покровного стекла) и нижним краем оправы объектива.

Рабочее расстояние уменьшается при использовании объектива с большим увеличением.

Как рассчитывается общее увеличение?

Для расчета общего увеличения конкретной конфигурации микроскопа увеличение объектива умножается на увеличение окуляра и на увеличение дополнительных линз при их наличии.

Что понимается под «полезным увеличением»?

Полезное увеличение находится в области 500-1000-кратной величины апертуры объектива. Поскольку разрешающая способность человеческого глаза ограничена, следует выбирать такое увеличение, при котором глаз сможет различать детали изображения. При меньшем увеличении человеческий глаз не сможет различать детали изображения. Если увеличение превышает данный диапазон, то его называют «пустым увеличением», так как разрешающая способность объектива не позволяет полностью использовать разрешающую способность глаза. При этом изображение выглядит расфокусированным.

Почему некоторым объективам требуется иммерсионное масло или вода?

Разрешающая способность линзы объектива зависит от ее числовой апертуры, которая в свою очередь зависит от показателя преломления среды между препаратом и линзой объектива. Чем выше показатель преломления, тем больше света может собрать линза и тем выше будет яркость получаемого изображения. Воздушная среда имеет относительно низкий показатель преломления, в ней лучше всего работают объективы с малой Ч.А. Объективам с более большей Ч.А. требуется больший показатель преломления, который обеспечивается иммерсионным маслом. Для получения оптимальных результатов необходимо также нанести масло на верхнюю линзу конденсора. Иммерсионные объективы имеют маркировку «oil» или «oel». Объективам с маркировкой «wi» в качестве иммерсионной среды требуется вода.

Почему у некоторых объективов есть ирисовая диафрагма?

Для сохранения темноты фона в темнопольной микроскопии объектив не должен иметь Ч.А. больше минимальной Ч.А., указанной на темнопольном конденсоре. Ирисовая диафрагма позволяет уменьшить Ч.А. объектива и, соответственно, использовать объективы в большей Ч.А. для темнопольной микроскопии. Объективам с Ч.А. выше 1,2 требуется ирисовая диафрагма для темнопольной микроскопии. Для светлопольной микроскопии диафрагма может просто оставаться полностью открытой.

Нужны ли специальные объективы для темнопольной микроскопии?

В большинстве случаев при исследовании проходящим светом вам понадобится только темнопольная вставка для конденсора. При работе c большими увеличениями вам понадобится объектив с ирисовой диафрагмой и темнопольный конденсор.

Что означает пометка «0.17» на объективе?

Пометка «0.17» означает толщину (мм) покровного стекла, которое учитывалось производителем при вычислении коррекций для данного объектива. При использовании объективов с числовой апертурой выше 0,45 несоблюдение данного показателя (или вообще отсутствие покровного стекла) может привести к неудовлетворительному качеству изображения.

Что означает пометка «160» на объективе?

«160» означает длину тубуса микроскопа, 160 мм соответствует расстоянию от края револьверного устройства (куда вкручивается объектив) до верхнего среза окулярной трубки (куда вставляется окуляр). Удлинение этого расстояния посредством добавления принадлежностей в световой путь над револьвером приведет к появлению сферических аберраций при отсутствии соответствующей оптической коррекции у данных принадлежностей.

Что такое объектив, скорректированный на бесконечность?

Объектив, скорректированный на бесконечность, формирует параллельные лучи света, спроецированные в бесконечность. Такому объективу требуется тубусная линза, фокусирующая параллельные лучи в диафрагму окуляра.

Почему некоторые объективы имеют надпись «Plan»?

Планобъектив проецирует плоское изображение всего поля зрения.

Почему на объективах обычно есть цветное кольцо?

Это стандартное обозначение для большинства изготовителей, позволяющее легко определить увеличение объектива:

• A red ring means 4X or 5X.
• A yellow ring means 10X.
• A green ring means 20X.
• A blue ring means 40X, 50X or 60X.
• A white ring means 100X.

Что означает надпись «LWD» или «ULWD» на объективе?

Эти буквы обозначают большое и ультра-большое рабочее расстояние объектива, значительно превышающее показатели стандартных объективов со схожим увеличением.

Что означают надписи «NIC» и «DIC»?

Этими буквами обозначаются объективы, разработанные специально для микроскопии Номарского или дифференциальная интерференционно-контрастной микроскопия. На текущий момент компания Meiji не предлагает подобных объективов.

Почему передние линзы некоторых объективов оснащены пружинным механизмом?

Такие объективы имеют очень короткое рабочее расстояние. При легком контакте линзы с препаратом или столиком механизм спружинит и предотвратит повреждение оптики или препарата.

Почему качество изображения, которое я получаю при увеличении 40х, хуже, чем при увеличении 20х?

Возможно, покровное стекло препарата толще стандартных 0,17 мм, или сам слайд толще обычного. Для улучшения качества изображения попробуйте использовать сухой объектив с коррекционным кольцом или иммерсионные объективы с увеличением 40х или 50х, поскольку иммерсионные объективы менее чувствительны к толщине покровного стекла.

Могу ли я использовать фазово-контрастные объективы для других типов исследования?

Да. Просто переведите фазовый конденсор в светлопольный режим и используйте стандартную процедуру освещения по Келлеру.

Могу ли я использовать объектив, скорректированный на бесконечность, на микроскопе с конечной длиной тубуса?

Нет, поскольку в конечной системе нет тубусной линзы для фокусировки параллельных лучей.

Что означают пометки «C», «K», «WF» или «H» на окулярах?

Объективы для микроскопов не оснащены средствами коррекции латеральной хроматической аберрации и требуют компенсационный окуляр (с пометкой «С» или «К»). «WF» обозначает широкопольный окуляр и позволяет рассматривать большую часть препарата. «H» означает высокий вынос зрачка, т.е. для изучения препарата вам не нужно подносить глаза близко к окулярам. В основном, такие окуляры предназначены для тех, кто носит очки, но их может использовать любой.

Что такое фотоокуляр?

Фотоокуляры используются для фотомикроскопии. Они захватывают изображение в объективе и переносят его на пленку в камере. Фотоокуляры обычно имеют малое увеличение, чтобы снизить вероятность получения пустого увеличение при переносе изображения на пленку.

Почему я не могу использовать окуляры с все большим увеличением для получения более высокого общего увеличения?

Для поддержания полезного увеличения с удовлетворительной четкостью и разрешением следует избегать пустого увеличения или увеличения размера препарата, но не его четкости. Как правило, общее увеличение не должно превышать 750-1000-кратной величины апертуры объектива. К примеру, при увеличении 40Х и Ч.А. 0,65, общее увеличение должно быть между 480X и 650X.

Что такое фильтр нейтральной плотности?

Фильтр нейтральной плотности равномерно поглощает свет по всей области видимого спектра, снижая интенсивность света без изменения его цветовой температуры.

Что такое синий фильтр дневного света и зачем он нужен?

«Фильтр» дневного света поглощает часть желтого и красного света от лампы микроскопа, что позволяет получить добиться эффекта дневного света, более комфортного для глаз.

Когда следует использовать фильтр дневного света?

Фильтр дневного света предназначен исключительно для наблюдения. Не используйте этот фильтр для микрофотографии или с кинопленкой для дневного света.

Зачем помещать зеленый фильтр на пути света?

Человеческий глаз видит зеленый цвет лучше всего. А поскольку монохромный свет устраняет хроматические аберрации, зеленый фильтр заметно улучшает эффективность ахроматических объективов. Кроме того, в зеленом свете фазово-контрастные объективы выдают наилучшее изображение.

В чем разница между ахроматическими и планахроматическими объективами?

Объективы скорректированы для исправления кривизны поля изображения и цветовой аберрации. Разница между ахроматами и планахроматами заключается в степени плоскости поля. Когда изображение сфокусировано от центра к краям, поле изображение считается «плоским». Чем выше степень исправления кривизны поля, тем больше линз установлено в объективе и тем он дороже.

Что означает стандарт «DIN»?

«DIN» — аббревиатура от «Deutsche Industrial Normen». Это немецкий стандарт, принятый в качестве международного оптического стандарта и применяемый в большинстве микроскопов. Длина тубуса у объектива стандарта DIN составляет 160 мм. Ранее использовался стандарт RMS, согласно которому длина тубуса была 170 мм. Большая часть оптических устройств DIN взаимозаменяемы. Однако объективы DIN и RMS не являются взаимозаменяемыми.

Что означает «FN»?

Обычно эта цифра выгравирована на окуляре и обозначает физический диаметр полевой диафрагмы. Значение «FN» определяет величину поля зрения для конкретного окуляра.

Какие у меня есть варианты освещения?

Правильное освещение играет ключевую роль для получения качественного изображения в любом микроскопе. Компания Meiji Techno предлагает несколько вариантов освещения на выбор. Мы можем подобрать нужное освещение для любого вашего препарата, чтобы обеспечить наилучшее изображение.

Чем отличаются различные типы освещения?

• Лампа накаливания — Стандартная нить накала, обычно 6 — 120V, 20 — 60W. Цветовая температура «теплая», оттенок ближе к желтому.
• Галогенное — Низкое напряжение, более интенсивное освещение. Температура идеальна для цветной фотографии.
• Флуоресцентное — «Холодная» система, производящая больше света и имеющая больший срок службы по сравнению с лампами накаливания. Флуоресцентные источники света предлагают более подходящую цветовую температуру (4100º Кельвина) и белое поле зрения более комфортное для глаз.

Что означает термин «коаксиальный»?

Коаксиальным называется движение совпадающих осей или шестерней с общей осью. При коаксиальном управлении градуированным предметным столиком одна из рукояток управляет движением по оси «Х», а другая — по оси «Y». В коаксиальной системе фокусировки винт тонкой настройки находится внутри винта грубой фокусировки.

Что такое темнопольная микроскопия?

Темнопольная микроскопия — это метод исследований, при котором препарат (прозрачный или полупрозрачный) представляется как яркий объект на темным (обычно черном) фоне.

Что такое светлопольная микроскопия?

Светлопольная микроскопия — это наиболее распространенный тип микроскопии, используемый в сферах обучения, промышленности и медицины. При работе с этим методом прозрачный или полупрозрачный препарат (окрашенный или неокрашенный) представляется как темный объект на светлом фоне или поле.

Что такое фазовый контраст?

Методика для выявления структурных особенностей микроскопических прозрачных объектов, невидимых при наблюдении по методу светлого поля. Этот метод позволяет добиться того же эффекта, что и при окраске препарата (из-за чего живые клетки могут погибнуть).

Что такое масляная иммерсия?

Масляная иммерсия используется для объективов с большим увеличением (обычно 100Х) в качестве среды между линзой и покровным стеклом. Масло обладает тем же показателем преломления, что и стекло. Также требуется конденсор Аббе с Ч.А. 1,25.

Могу ли я подсоединить механический предметный столик к моему микроскопу?

Механический столик можно подсоединить к большинству моделей микроскопов Meiji.

Могу ли я подсоединить видеокамеру к моему микроскопу?

Да. Видеокамеры с типом крепления C-Mount можно использовать с большинством моделей микроскопов Meiji.

Могу ли я подсоединить 35-миллиметровую камеру к моему микроскопу?

Да, с помощью универсального адаптера и крепления T-Mount, соответствующего вашей модели и марке камеры.

Могу ли я подключить цифровую камеру к моему микроскопу?

На данный момент мы продаем цифровые камеры. Однако мы выпускаем адаптеры, которые подходят для многих моделей камер, доступных на рынке. Вы можете ознакомиться с ними здесь.

Могу ли я самостоятельно проводить чистку микроскопа?

Грязь, царапины и повреждения объектива негативно влияют на качество изображение. «Черный точки» указывают на наличие частиц грязи в окуляре, на призме или зеркалах. Ниже представлены советы по устранению этих загрязнений:

Переднюю линзу объектива (в особенности 40Х) сперва следует очистить от частиц пыли с помощью щетки из верблюжьей шерсти, затем бережно протереть мягкой протирочной тканью, смоченной ксилоном или чистой дистиллированной водой, и сразу высушить с помощью чистой бумаги для протирки оптических стекол. Разбирать объектив должен квалифицированный специалист по ремонту. Для удаления пыли с задней линзы микроскопа используйте резиновую спринцовку.

Окуляры можно очищать тем же способом, что и объективы, но в большинстве случае ксилон не потребуется. Достаточным просто подышать на линзу, а затем протереть ее чистой протирочной тканью.

Внешнее покрытие микроскопов Meiji выполнено из твердого эпоксидного состава, устойчивого к кислотам и реагентам. Для очистки этих поверхностей используйте ткань и мягкодействующее моющее средство.

Примечание: Если загрязнение сильное, то можно воспользоваться этиловым спиртом. Ксилон или ацетон следует применять лишь в крайних случаях. Использование этих средств приведет к повреждению покрытия линз.

Если простой очистки недостаточно для решения вашей проблемы, представитель Meiji Techno может направить вас к квалифицированному сервисному специалисту в вашей области.

Компания Meiji Techno не несет ответственности и освобождается от возможных претензий за любые ошибки, допущенные во всех опубликованных и неопубликованных документах, за любые повреждения изделий, возникших в результате действий конечных потребителей, сотрудников Meiji Techno, их дистрибьюторов и поставщиков при применении оборудования и документов, имеющих отношение к их использованию, ремонту и обслуживанию.

Расширенный выбор линз | Эдмунд Оптикс

Это Раздел 6.3 Руководства по работе с изображениями.

В предыдущем разделе выбор линзы объяснялся в первую очередь с точки зрения линзы как последнего компонента, который следует выбрать в системе машинного зрения. В этом разделе мы подходим к выбору объектива и камеры целостно, выбирая и то, и другое одновременно, в зависимости от того, что важно для конкретного приложения. В этом разделе будет рассмотрен пример, начиная с нуля, где необходимо отобразить двухмерный штрих-код с расстояния 200 мм, как показано на Рис. 1 .

Рис. 1: Изображение двухмерного штрих-кода, которое должно быть отображено с расстояния 200 мм.

Первый шаг в выборе линзы — это начать с исследуемого объекта и разбить его на составные части. Какие важные особенности? Насколько велики эти функции? Сколько пикселей мне нужно, чтобы покрыть функцию, которую я пытаюсь наблюдать, чтобы мое программное обеспечение машинного зрения работало должным образом?

Часто лучше всего начать с размера элемента и покрытия в пикселях.Для штрих-кода в , рис. 1 , это довольно простые числа. Размер элемента составляет 100 мкм, с пустым пространством не менее 100 мкм между элементами. Это означает, что частота, которой соответствует эта функция, составляет 5 $ \ small {\ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}}} $ (обзор этой математики см. В разделе Разрешение) в пространстве объектов. Это число — первая часть головоломки при определении необходимого увеличения объектива.

Далее необходимо учитывать все поле зрения (FOV).Это означает, что не только размер самого штрих-кода, но и пространство должно быть оставлено для неопределенности положения в пределах поля зрения. Если размер штрих-кода составляет 25 мм x 25 мм, можно с уверенностью сказать, что требуется FOV 35 мм. В этом конкретном примере необходимо иметь не менее трех пикселей, покрывающих каждую функцию штрих-кода. Поскольку размер элемента штрих-кода составляет 100 мкм, тогда требуется, чтобы на плоскости объекта было не менее 33 мкм на пиксель.

На этом этапе можно оценить различные камеры, чтобы увидеть, можно ли этого достичь.Чтобы сохранить минимальные затраты, может быть важно начать с как можно меньшего разрешения. В современном мире машинного зрения это разрешение обычно составляет 0,3 МП или VGA (640×480). Если посмотреть на соотношение сторон сенсора, то оно составляет ровно 4: 3. Однако необходимый угол обзора составляет 1: 1; это означает, что маленький размер сенсора (480 пикселей) необходимо будет использовать для соответствия 35-миллиметровому полю зрения, а больший размер будет плавать, и, вероятно, будут потеряны некоторые пиксели.

Поскольку 480 пикселей будут разделены между 35 мм пространства, каждый пиксель соответствует 110 мкм в пространстве объекта.Этой камеры явно недостаточно для этого приложения, и требуется, чтобы разрешение было примерно в 3 раза лучше. Снова пробежавшись по математике с датчиком 1600×1200 с пикселями 4,5 мкм, каждый пиксель теперь занимает 29 мкм, чего достаточно. Но как это соотносится с пространством изображения с камерой и объективом? На этом этапе система должна быть связана с увеличением.

Поскольку этот датчик 1600 x 1200 имеет пиксели, соответствующие размеру 4,5 мкм, размеры составляют 7,2 мм x 5,4 мм.При использовании Equation 4 в базовом выборе объектива требуется увеличение 0,15X. Теперь можно использовать это увеличение, чтобы определить, какой объектив необходим, а также то, что система формирования изображения должна быть способна достичь с точки зрения разрешения, чтобы должным образом отобразить штрих-код. После выбора датчика Equation 3 из меню «Базовый выбор объектива» теперь можно использовать для определения фокусного расстояния объектива. Используя Equation 3 , требуемое фокусное расстояние, исходя из рабочего расстояния 200 мм (WD), составляет 30 мм.Однако необходимое увеличение (0,15X) может быть достигнуто с помощью объектива 25 мм на расстоянии 230 мм; в данном примере этого достаточно. Теперь предварительный объектив был выбран, но может ли он работать в зависимости от требуемого разрешения?

Требуемое разрешение в пространстве объекта составляет 5 $ \ small {\ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}}} $. Преобразуя это в пространство изображения путем деления на увеличение, 33 $ \ small {\ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}}} $ требуется для правильного просмотра объекта. Это число необходимо сравнить с двумя числами: частотой Найквиста датчика и функцией передачи модуляции (ФПМ) используемого объектива.См. Раздел «Разрешение» для получения дополнительной информации о частоте Найквиста. Уравнение 1 описывает частоту Найквиста датчика как:

(1) $$ \ xi _ {\ small {\ text {Nyquist}}} = \ frac {1} {2 \ times s} $$

(1)

$$ \ xi _ {\ small {\ text {Nyquist}}} = \ frac {1} {2 \ times s} $$

Где s — размер пикселя. Используя уравнение 1 , датчик с пикселями размером 4,5 мкм имеет частоту Найквиста 111 $ \ small {\ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}}} $. Поскольку это больше, чем требуемые 33 $ \ small {\ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}}} $, эта камера является хорошим выбором.Проницательный читатель может заметить, что это будет связано с тем фактом, что у нас есть три пикселя, покрывающих нашу функцию, и неудивительно, что мы примерно в 3 раза ниже частоты Найквиста. Эта математика была включена сюда для полноты картины.

Кривую MTF для объектива с фиксированным фокусным расстоянием 25 мм серии C при WD 166 мм можно найти на Рисунке 2 (для получения дополнительной информации о том, как считывать кривую MTF, см. Функция передачи модуляции). Глядя на кривую, можно увидеть, что 25-миллиметровый объектив достигает примерно 83% контрастности при 33 $ \ small {\ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}}} $, что более чем достаточно для изображения это хорошо.

Рисунок 2: Кривая MTF 25-миллиметрового объектива серии C с фиксированным фокусным расстоянием, который обеспечивает более чем достаточное разрешение для этого примера.

Как правило, минимальное значение контрастности, которое требуется для линзы формирования изображения для правильного разрешения объекта, составляет 20%, что означает, что этот объектив имеет более чем достаточное разрешение, чтобы в достаточной степени видеть этот штрих-код.

Это лишь верхушка айсберга при выборе объектива для конкретного применения. MTF зависит от нескольких факторов (подробно объясненных в разделе «Кривые MTF и характеристики объектива»), и зачастую это не так просто.В следующем разделе подробно рассказывается о том, как конкретно смотреть на объектив и насколько хорошо он сочетается с камерой.

Изменение характеристик объектива

Поставщики объективов могут предоставить индивидуальные кривые MTF в зависимости от того, как используется объектив. В приведенном выше примере со штрих-кодом MTF 25-миллиметрового объектива использовалась, чтобы определить, имеет ли он достаточное воспроизведение контраста для штрих-кода, который он отображал. Теперь мы расширим это на другом примере, но с той же линзой, чтобы показать, что не всегда все получается так, как задумано.

На рис. 3 показаны две разные кривые MTF одного и того же объектива с фиксированным фокусным расстоянием 25 мм при одинаковом WD (обеспечивающем увеличение 0,76X), но с разными f / # s и диапазонами длин волн. Они не похожи на один и тот же объектив! Важный вывод состоит в том, что простой просмотр кривых MTF в таблицах спецификаций не может адекватно объяснить характеристики объектива во всем диапазоне, а конкретные кривые необходимы.

Рисунок 3: MTF объектива с высоким разрешением 25 мм при различных настройках, что подчеркивает важность сравнения конкретных кривых объектива.

На основе MTF данного объектива можно определить минимальный разрешаемый размер элемента в пространстве объекта. Однако кривые MTF всегда находятся в пространстве изображения, что означает, что информация пространства изображения должна быть преобразована в информацию пространства объекта. К счастью, это так же просто, как масштабирование с помощью увеличения. В следующем примере показано, как выполнить эти расчеты, используя кривые на рис. 3 в качестве отправной точки. Предполагая для этого примера минимальную контрастность 20%, линза сверху может разрешить 250 $ \ small {\ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}}} $ в пространстве изображения, что определяется путем нахождения частота на кривой, соответствующая 20% -ному контрасту.Используя уравнение 2 , размер пикселя (или в данном случае разрешение пространства изображения
$ \ small {\ xi _ {\ small {\ text {Image Space}}}} $ преобразуется из частоты в физический объект) рассчитывается как:

(2) $$ \ xi _ {\ small {\ text {Image Space}}} = 250 \ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}} = \ frac {1000 \ tfrac {\ large {\ unicode [Cambria Math] {x03BC}} \ normalsize {\ text {m}}} {\ text {mm}}} {2 \ times s} \ поэтому s = 2 \ large {\ unicode [Cambria Math] { x03BC}} \ normalsize {\ text {m}} $$

(2)

$$ \ xi _ {\ small {\ text {Image Space}}} = 250 \ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}} = \ frac {1000 \ tfrac {\ large {\ unicode [Cambria Math] {x03BC}} \ normalsize {\ text {m}}} {\ text {mm}}} {2 \ times s} \ поэтому s = 2 \ large {\ unicode [Cambria Math] {x03BC}} \ normalsize {\ text {m}}} $$

Масштабирование по увеличению (0.076X) результаты:

(3) $$ \ frac {2 \ large {\ unicode [Cambria Math] {x03BC}} \ normalsize {\ text {m}}} {0.076X} = 26 \ large {\ unicode [Cambria Math] {x03BC}} \ normalsize {\ text {m}} \ text {- минимальный размер объекта} $$

(3)

$$ \ frac {2 \ large {\ unicode [Cambria Math] {x03BC}} \ normalsize {\ text {m}}} {0.076X} = 26 \ large {\ unicode [Cambria Math] {x03BC}} \ normalsize {\ text {m}} text {минимальный размер объекта} $$

Для сравнения: объектив с изгибом внизу на , рис. 3 может уверенно отображать только объект размером 282 мкм (с использованием той же математики, что и в приведенном выше примере).В примере на предыдущей странице также предполагается, что точная камера / датчик еще не выбрана, поэтому оптика является ограничивающим компонентом в системе формирования изображения. Если бы датчик камеры был выбран до объектива, объектив должен был бы иметь возможность разрешать размер пикселя используемого датчика.

Продолжая пример на предыдущей странице, если была выбрана камера с датчиком Sony IMX250 с пикселями 3,45 мкм, используя уравнение 2, разрешение пространства изображения можно найти как 144.9 $ \ small {\ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}}} $. Глядя на кривую MTF, объектив обеспечивает контраст> 40%, что более чем достаточно для большинства применений. Однако, используя тот же расчет, что и в уравнении 3 для масштабирования в пространстве объекта, пиксели 3,45 мкм соответствуют только объекту 45 мкм, что означает, что датчик будет ограничивающим компонентом в системе, поскольку линза способна обеспечить разрешение в пространстве объекта 26 мкм. . Все эти соображения необходимо учитывать при выборе подходящего объектива для конкретного применения, чтобы найти оптимальное решение проблемы машинного зрения.

Рекомендуемые ресурсы

Указания по применению

Оптика и разрешение сенсора оптической системы

Пространственная частота среза не является интересным параметром, поскольку системы машинного зрения не могут надежно распознавать объекты с очень низким контрастом. Таким образом, удобно выбрать предельную частоту, соответствующую контрасту 20%.

Общепринятым критерием для описания оптического разрешения является критерий Рэлея, связанный с понятием предела разрешения.Когда волна встречает препятствие — например, проходит через отверстие — возникает дифракция. Дифракция в оптике — это физическое следствие волнообразной природы света, приводящее к интерференционным эффектам, которые изменяют картину интенсивности входящего волнового фронта.

Поскольку каждый объектив имеет диафрагму, на качество изображения будет влиять дифракция, в зависимости от диафрагмы объектива: точечный объект будет правильно отображаться на датчике до тех пор, пока его изображение не достигнет предельного размера; все, что меньше, будет иметь такое же изображение — диск определенного диаметра в зависимости от F / # объектива и длины световой волны.

Эта круглая область называется диском Эйри и имеет радиус

.

где λ — длина волны света, f — фокусное расстояние линзы, d — диаметр диафрагмы и f / d — F-число объектива. Это также относится к далекие объекты, которые кажутся маленькими.

Если мы рассмотрим два соседних объекта, их относительное расстояние можно считать «объектом», который подвергается дифракции, когда он отображается объективом. Идея состоит в том, что дифракция обоих объектов » изображения увеличиваются до такой степени, что их больше невозможно рассматривать как отдельные.В качестве примера мы могли бы вычислить теоретическое расстояние, на котором человеческий глаз не может различить разделенные фары автомобиля. Критерий Рэлея утверждает, что два объекта не различимы, когда пики их дифракционных картин ближе, чем радиус диска Эйри r A (в пространстве изображения).

Телецентрический объектив Opto Engineering® TC12120, например, не распознает объект ближе

Разделение диска Эйри и критерий Рэлея.

`r_A = 1,22 * 0,587 мкм * 8 = 5,7 мкм`

в пространстве изображения (например, на датчике). Минимальный разрешаемый размер в пространство изображения всегда составляет 2 мкА, независимо от реального размера объект. Поскольку объектив TC12120 имеет увеличение 0,052X и 2rA = 11,4 мкм минимальный реальный размер объекта, который может быть разрешен, равен 11,4 мкм / 0,052 = 220 мкм.

По этой причине оптика должна быть правильно согласована с датчиком и наоборот: в предыдущем примере нет никаких преимуществ в использовании камера с размером пикселя 2 мкм, поскольку каждый «точечный» объект всегда покрывает более одного пикселя.В этом случае объектив с более высоким разрешением или следует выбрать другой сенсор (с более крупными пикселями). С другой стороны, система может быть ограничена размером пикселя, при котором оптика сможет «видеть» гораздо более мелкие детали.

Затем следует учитывать передаточную функцию всей системы, оценка вклада как оптики, так и датчика. это важно помнить, что фактический предел разрешения не только дан линзой F / # и длиной волны, но также зависит от линзы аберрации: следовательно, необходимо учитывать реальную пространственную частоту описывается кривыми MTF требуемого объектива.

Разрешают ли датчики линзы?

Рубен Осуна и Эфраин Гарсия

Мы везде читаем, что новые сенсоры высокого разрешения оказывают давление на настоящие линзы. Эти комментарии возникают обильно каждый раз, когда появляется новый датчик с большим количеством пикселей. Это произошло с 22 миллионами пикселей Canon 1Ds Mark III, и это повторится снова, когда сенсор Sony на 25 МП появится в новой камере. Насколько точны такие комментарии? На этот вопрос нет короткого ответа, потому что тема сложная.Тем не менее, мы попытаемся обобщить несколько основных правил и результатов, завершив предыдущее обсуждение на The Luminous Landscape .

_____________________________________________________________

Основное разрешение объектива

Для начала будет полезно немного уточнить терминологию. Утонченность деталей на фотографии — , разрешение . Эта разрешенная деталь имеет определенную степень видимости , в зависимости от контрастности .Разрешение и контрастность определяют четкость изображения. С другой стороны, резкость определяется четкостью края в разрешенной детали и определяется контрастностью края . Разрешающая способность — это объективная мера разрешения (в разрешенных парах линий или циклах на миллиметр), а , острота, — это мера резкости (вычисляется путем отслеживания градиентной кривой).Разрешающая способность и резкость не являются хорошими показателями качества изображения, если рассматривать их по отдельности [1].

Функции передачи модуляции (MTF) — гораздо более сложная объективная мера качества изображения, которая сочетает в себе разрешение и контраст. Функции передачи модуляции представляют собой математические выражения сигнала, передаваемого линзой. Эти функции были впервые использованы в электротехнике, а затем основная терминология была принята в области фотографии.Сигнал имеет два свойства: частота (пространственная или временная) и амплитуда . Частота — это количество повторений сигнала в линейном пространстве или периоде времени. Амплитуда относится к разнице между минимальным и максимальным уровнями сигнала. В фотографических сигналах (пространственная) частота составляет , разрешение , а амплитуда — , контраст . Чем больше пар линий (одна черная, одна белая) в пространственной единице, тем выше частота или разрешение сигнала.Мы можем думать о контрасте как о разнице яркости между соседними областями.

Разрешение объектива ограничено дифракцией , когда вы закрываете диафрагму, и аберрациями , которые ухудшаются с фокусным расстоянием и раскрытием диафрагмы.

Свет подобен потоку, и закрытие лопастей диафрагмы производит эффект рассеивания, подобный эффекту разбрызгивания воды из трубы через узкое отверстие с большим давлением.Это дифракция , и она ухудшает разрешение и контраст, и ее нельзя избежать. Световые пятна, проецируемые линзой на фокальную плоскость, имеют определенную форму: яркое центральное пятно (диск Эйри), окруженное концентрическими кольцами, которые попеременно темные и яркие (узор Эйри). Диск Эйри ярче в центре, и интенсивность света уменьшается по мере того, как мы приближаемся к границам (см. Рисунок 1) . Чем шире диафрагма, тем меньше диски Эйри.

Рисунок 1 . Трехмерное представление паттерна Эйри, где высота представляет интенсивность света.

Аберрации также оказывают такое же негативное влияние на разрешение и контраст, но дизайнеры объективов стараются уменьшить его. Их успех определяет, насколько разрешающая способность и контраст сохраняются при открытой диафрагме, потому что несколько аберраций растут с увеличением диафрагмы (сферическая, кома, аксиальная хроматика, астигматизм, кривизна поля), и их очень трудно контролировать в светосильных линзах [2] .Каждая аберрация характерным образом искажает узоры и формы дисков Эйри (см. Моделирование Натали Гакопулос).

Когда мы видим черные человеческие волосы, мы видим их в отличие от более ярких участков. Чем сильнее разница в яркости, тем четче будут восприниматься волосы. Линзы не могут сохранить полную контрастность всех деталей (присутствующих в объекте). Переданный контраст — это степень, в которой черные линии остаются черными, а белые линии остаются белыми. Когда контраст падает, чистые черные и белые линии становятся серыми, а различия между линиями исчезают.Мы можем измерить контраст в процентах. Любое значение ниже 100% подразумевает потерю, и только линзы могут передавать грубые детали с максимальным уровнем «точности». Чем мельче детализация, тем больше потери контрастности из-за аберраций и дифракции. Ниже минимального уровня контрастности мелкие детали вообще не различимы.

Существует два широко распространенных способа представления передаточных функций модуляции , и оба они информативны. Первый заключается в нанесении контраста по вертикальной оси (в процентах) и разрешения по горизонтальной оси (в парах линий на миллиметр, lp / мм) для конкретной точки изображения и длины волны света.Затем мы можем проследить кривую для каждой апертуры объектива и проанализировать, как изменяется форма кривых (см. , рис. 2, ).

Рисунок 2 . Графическое изображение MTF двух гипотетических линз и датчика 100 лин / мм (5 микрон).
Длина волны света 0,000555 мм.

Второй способ представления MTF, о котором обычно сообщают производители линз, заключается в нанесении контраста на вертикальной оси (в процентах) и расстояния от центра кадра (в миллиметрах) на горизонтальной оси.В этом случае мы отслеживаем кривую для набора выбранных уровней разрешения (обычно 5, 10, 20, 30 и 40 линий / мм), учитывая апертуру объектива. См. Пример , рис. 3, . Это графическое представление функций MTF, представленное Canon. Они выбирают разрешение 10 линий / мм и 30 линий / мм и представляют кривые для полной апертуры и f / 8. Другие бренды могут печатать кривые для разных наборов чисел разрешения и значений диафрагмы, но график во всех случаях один и тот же.

Почему выбраны эти значения разрешения? Компания Carl Zeiss эмпирически изучила, насколько детализация важна для субъективного восприятия качества фотографии. Они пришли к выводу, что разрешенная деталь на негативе за пределами 40 линий / мм при минимальной контрастности 25% в формате 35 мм не оказывает значительного влияния на качество воспринимаемого изображения на отпечатках небольшого размера (A4 или даже больше) [3]. Это соответствует значениям визуальной «разборчивости», относящимся к разрешению, необходимому на фотографии для достаточно правильного воспроизведения букв и слов.Значения в диапазоне 8-6 линий / мм при оптимальном расстоянии просмотра гарантируют хорошее восприятие резкости на отпечатке (Williams 1990, стр. 55-56). Более того, мы более чувствительны к промежуточным значениям детализации в диапазоне от 0,5 до 2 линий / мм, как объясняет Боб Аткинс.

Уровень контрастности , обеспечиваемый системой для соответствующего диапазона детализации, является ключевой переменной при определении субъективного восприятия качества изображения [4]. С другой стороны, область под кривыми MTF и слева от вертикальной красной линии на рис. 1 (разрешение датчика) является ключевым для определения максимального потенциального качества изображения системы.

Рис. 3. Типичное представление графика MTF для объективов Canon Графики

MTF предлагают больше информации, чем вы можете себе представить. Например, около боке , объективное воспроизведение областей вне фокуса фотографического изображения. На графиках MTF представлены кривые для деталей с меридиональной (штриховой) и сагиттальной (сплошной) ориентацией. боке объектива будет тем гармоничнее, чем ближе эти линии друг к другу.Кривые MTF также информируют нас о цветовой окантовке, вызванной хроматическими аберрациями, то есть о цветах на границах областей изменения высокой контрастности [5]. Только касательная кривая указывает на хроматические аберрации. Остановка не устраняет проблему, и поэтому касательная кривая не меняется (улучшается), когда мы закрываем лопасти диафрагмы. Затем, если сагиттальная и тангенциальная кривые расходятся при остановке, это указывает на наличие хроматических аберраций.

_____________________________________________________________

Форматы затрудняют сравнение

Для проведения соответствующих сравнений между форматами необходимо принять общую точку отсчета. Чтобы меньший формат разрешал те же детали в абсолютном выражении, чем более крупный формат (например, та же деталь на отпечатке A3), он должен разрешать больше деталей на миллиметр на датчике (или негатив). Затем линзы и датчики меньших форматов должны иметь более высокую разрешающую способность для приближения к деталям, захваченным более крупными форматами, но это происходит за счет более низкого отношения сигнал / шум (что приводит к шуму, более узкому динамическому диапазону или более низкой тональной насыщенности) [6].

Дело здесь в том, что вы не можете напрямую сравнивать кривые MTF объектива, предназначенного для формата 35 мм, и объектива, предназначенного для формата APS-C или Four Thirds. Даже если вы используете объектив, предназначенный для формата 35 мм, на кадрированном датчике, относительные характеристики этого объектива трудно измерить, как объяснил Эрвин Путс. Кривые разрешения 40 линий / мм для формата 35 мм эквивалентны кривым разрешения 60 линий / мм в формате APS-C (кроп-фактор x1,5), кривым 80 линий / мм в формате Four Thirds (кроп-фактор x2) и Кривые 30 линий / мм в цифровом (обрезанное 645, то есть 36×48 мм) среднем формате (x0.72 относительно 35 мм).

Например,

Olympus представляет кривые 20 lp / мм и 60 lp / мм. Эти кривые напрямую сопоставимы с типичными кривыми MTF для 10 линий / мм и 30 линий / мм для формата 35 мм, например, предлагаемых Canon.

_____________________________________________________________

Воспринимаемое качество и аргумент круга смешения

Эти значения разрешения не являются пределом. Линзы могут разрешать более мелкие детали с хорошим уровнем контраста.См., Например, данные Эрвина Путса о нескольких высококачественных 50-миллиметровых объективах с диафрагмой f / 5,6. В представленной им таблице можно увидеть разрешение 160 линий / мм при уровне контрастности 30-35%. Однако утверждается, что острота зрения человеческого глаза ограничивает разрешающую способность соответствующей фотографической системы. Конечный результат — это отпечаток, и невооруженный глаз может видеть детали до определенной точки. Этот предел определяет, сколько деталей должны разрешить объектив и сенсор или пленка.Теперь мы объясним, почему эта линия рассуждений не подходит для оценки или сравнения современного цифрового оборудования.

Максимальный размер точки, которую человеческий глаз не может увидеть, поскольку отдельная точка на отпечатке соответствует точке определенного размера на негативе. Это называется кругом замешательства (CoC). Размер этого круга подразумевает максимальное разрешение, которое мы можем получить от фотографической системы. Вышеупомянутое число 40 линий / мм тесно связано с кружком нерезкости .Это также актуально для формул глубины резкости, и по тем же причинам: нерезкие области имеют размер пятна больше, чем кружок нерезкости. Для расчетов глубины резкости, таблиц и меток размер пятна 30 микрон был принят для формата 35 мм давно. Эта важная концепция основана на многих предположениях относительно размера отпечатка, размера формата, разрешающей способности объектива и пленки / сенсора и остроты зрения. Однако многие из этих поддерживающих предположений ошибочны или устарели.

Как заявил Zeiss в Camera Lens News No. 1 (1997), относительно круга допущений путаницы для шкал глубины резкости:

Все производители объективов в мире, включая Carl Zeiss, должны придерживаться того же принципа и основанного на нем международного стандарта при создании своих шкал и таблиц глубины резкости.

Обычно удовлетворительное значение (0,03 мм для формата 35 мм, 30 линий / мм) было стандартизовано с учетом качества изображения пленки во время определения стандарта, то есть задолго до Второй мировой войны.

Между тем прошло несколько десятилетий, современные цветные пленки с легкостью разрешают 120 линий / мм и более, при этом Kodak Ektar 25 и Royal Gold 25 лидируют с показателем 200. Процессы четырехцветной печати также значительно улучшились, как и наши ожидания относительно резкости.

Это абсолютно нормально для подавляющего большинства фотолюбителей, которые делают снимки без штатива и распечатывают их размером не более 4 × 6.

Посмотрите, насколько устарели эти предполагаемые сегодня цифры и, соответственно, типичные шкалы глубины резкости. Острота зрения также была сильно занижена.

Расстояние между колбочками в ямке составляет 0,0015 миллиметра, что ограничивает максимально возможное визуальное разрешение до 20 угловых секунд. На практике известно, что 30 угловых секунд едва различимы. Если принять это число за границу, 60 угловых секунд могут быть хорошим практическим значением для среднего предела абсолютной остроты зрения.

При оптимальном расстоянии просмотра 25 см 60 угловых секунд переводятся в черные пятна на ярком фоне диаметром 0,07 миллиметра (яркие пятна на темном фоне могут быть еще меньше). Многие берут это число и ошибаются в расчетах. Пятно диаметром 0,07 мм не соответствует линии такой ширины, а соответствует паре этой ширины (см. Рисунок 4 ), потому что светлые пятна имеют разную яркость от центра к краям.Это означает 14 линий / мм вместо обычных 7 линий / мм. Но даже это число во многих случаях слишком консервативно…

Рисунок 4: Изолированная точка, пара линий

По сути, очень маленькое изолированное пятно не может возбудить достаточно большое количество колбочек сетчатки, но линия возбуждает. Мы можем воспринимать больше деталей, если они образованы линиями, а не пятнами. , что означает, что мы можем видеть линию тоньше диаметра минимального воспринимаемого размера пятна.Еще один фактор, который следует учитывать, — это контраст. Разрешение глаз также зависит от контраста между светлыми и темными участками. Более того, он выше, если мы смотрим на высококонтрастные яркие линии (или пятна) на темном фоне, и ниже, если мы смотрим на темные линии (или пятна) на ярком фоне.

Мы также можем видеть более тонкую линию, если она изолирована от других соседних линий.

Мы можем видеть изолированную черную линию на ярком фоне, если она равна как минимум 0.001 миллиметр (1 микрон) с учетом оптимального (для разрешения) расстояния просмотра 25 сантиметров. Это соответствует 0,8 угловой секунды. Изолированная яркая линия на темном фоне видна независимо от ее размера, только в зависимости от яркости линии.

Когда мы смотрим на группы линий, визуальное разрешение падает. Глаз может различать две черные линии на ярком фоне отдельно, если расстояние между ними (от центра до центра) не менее 0.05 миллиметров (40 угловых секунд, учитывая расстояние обзора 25 см). Это соответствует 20 парам линий на миллиметр. Даже 25 пар линий на миллиметр оказывают значительное влияние на воспринимаемое качество изображения. Но учтите: для двух ярких линий на темном фоне разрешение составляет 1 угловую секунду! Эти цифры намного выше, чем 7 лин / мм, обычно представляемые как визуальный предел.

Значит, обычные показатели остроты зрения не точны для всех возможных случаев.Но это не конец истории, потому что предполагаемый размер отпечатка также устарел. Фактически, отпечатки размером 8 × 10 (меньше формата A4) не могут определить текущий уровень требований к фотографической системе. В эпоху цифровых технологий размер обычного отпечатка увеличился до формата А3 или даже большего размера. Более того, сравнение качества изображения или разрешения изображения обычно устанавливается на основе визуального осмотра на экране компьютера при 100% увеличении. Когда мы видим фотографию с разрешением 12 МП, увеличенную на 100% на экране компьютера с разрешением 96 пикселей на дюйм, мы видим ее в размере, эквивалентном бумажному отпечатку размером более 1 метра x 70 сантиметров (40 x 28 дюймов)!

Многие люди испытали сравнительное ухудшение точности фокусировки линз при использовании с цифровым оборудованием (смещение фокуса, задний фокус, глубина резкости), и все эти устаревшие соглашения и предположения могут быть причиной этого.

По всем вышеперечисленным причинам разрешающая способность цифровой системы должна быть оценена как на пределе. Существуют практические соображения, для которых релевантны относительные понятия, такие как круг замешательства или субъективное восприятие качества, но это в значительной степени зависит от каждого конкретного случая. Для любого значимого сравнения или оценки важна производительность на пределе. Технический прогресс обычно приводит к незначительным улучшениям, и эти небольшие шаги являются основой конкуренции и решений об инвестициях в оборудование.

_____________________________________________________________

Дифракция ограничивает разрешение системы

Принимая предел разрешения системы как точку отсчета, где этот предел? Что это определяет? Это линза или сенсор? Датчики «превосходят» возможности линз? Прежде чем мы будем готовы понять ответ на этот вопрос, мы должны прояснить несколько концепций, связанных с разрешающей способностью сенсора и линзы, а также с тем, как они взаимодействуют.Исходный сигнал, поступающий в объектив, не ограничен полосой (за исключением тестовых таблиц), но объектив ограничивает максимальную частоту, передаваемую на детектор, датчик или пленку. Цифровой захват представляет несколько важных отличий по сравнению с захватом пленки, в основном из-за регулярного расположения пикселей по сравнению со случайной и нерегулярной структурой зерен в пленочных эмульсиях. Основным следствием этого является то, что цифровые датчики являются детекторами с ограниченной полосой пропускания, тогда как пленка, так сказать, «ограничена зернистостью» [7].Устройства цифрового захвата внезапно прекращают запись деталей на так называемом пределе Найквиста , как вы можете видеть на Рисунок 1 .

Это свойство имеет последствия, и самое важное из них связано с возможностью правильной «реконструкции» исходного сигнала, передаваемого линзой. Теорема Найквиста-Шеннона гласит, что для получения точного воспроизведения непрерывного сигнала с определенной частотой частота дискретизации должна быть , по крайней мере, удвоить этого числа (см. Этот симулятор).Теорема относится к единицам, которые необходимо преобразовать в частный случай цифрового изображения. Теорема говорит, что вам нужно как минимум 2 отсчета на цикл, а это означает, что на каждую пару строк приходится два пикселя [8].

Затем мы можем определить предел Найквиста как максимальную частоту сигнала (в циклах или парах линий на миллиметр), которая может быть считана или воспроизведена точно с определенной частотой дискретизации. В лучшем случае вы получите один цикл (или пару линий) с двумя пикселями, и это предел, предел Найквиста .Таким образом, для датчика с частотой дискретизации 160 пикселей / мм предел Найквиста составляет 80 циклов / мм, то есть 80 пар линий на миллиметр (см., Например, это эссе).

Для обычных фотографических целей 3 пикселя на пару строк (коэффициент Найквиста x1,5) или даже 2 пикселя на пару строк (коэффициент Найквиста x1), сделают свою работу. Некоторые тесты, проведенные путем сканирования тестовых диаграмм, показывают, что на самом деле может потребоваться гораздо больше, чем просто два пикселя на пару строк (см., Например, анализ R.Н. Кларк), но исходная теорема Найквиста не относится к этому случаю, и обычные фотографические объекты также не представляют собой пары высококонтрастных черных и белых линий на плоскости [9]. Это означает, что на практике эффективное разрешение датчика может составлять всего 70% от его максимально возможного значения или предел Найквиста , в зависимости от объекта и других переменных. Как мы увидим, массивы Байера усложняют задачу.

Таблица 1 сообщает о максимальном разрешении для линз с дифракционным ограничением (без аберраций) при различных значениях диафрагмы и различных уровнях контрастности (Норман Корен объясняет вам, как эти числа получены).Посмотрите, как дифракция увеличивает диаметр дисков Эйри в Table 1 . В реальных фотографических объективах значения разрешения приближаются к значениям, представленным в таблице , таблица 1 только в первоклассных конструкциях при средней диафрагме, когда аберрации уменьшаются путем остановки. Лучшее место для любого объектива — средняя величина диафрагмы, потому что аберрации уменьшаются, а дифракционные эффекты еще не сильны.

Таблица 1 .Минимальный диаметр диска Эйри и соответствующее максимальное разрешение
в зависимости от расстояния между дисками для линз с ограничением дифракции и зелено-желтого света (длина волны 0,000555 мм)

Значения разрешения зависят от диаметров дисков Эйри и расстояния . Размер диска зависит от длины волны света и апертуры. Мы выбрали промежуточную длину волны, к которой глаз наиболее чувствителен, соответствующую зелено-желтому цвету.Затем для определенной длины волны и апертуры расстояние между двумя соседними дисками Эйри определяет разрешение и уровень контрастности.

Критерий Рэлея подразумевает контраст 9%, довольно низкий, но достаточный для человеческого глаза, чтобы разделить два частично перекрывающихся диска (яркие звезды на темном фоне в телескопе). Первое темное кольцо одного из узоров Эйри (первый минимум) должно быть прямо под центром другого диска (центральный максимум). Разделение дисков — один радиус диска Эйри .Зона перекрытия включает в себя уменьшающийся сигнал от двух дисков, и результирующий контраст (разница в высоте между вершинами в центре дисков Эйри и самой глубокой частью сторон) довольно низка. Трехмерное представление дисков Эйри может помочь в визуализации (, рис. 5, ).

Рисунок 5 . Трехмерное представление двух частично перекрывающихся дисков Эйри в случае Рэлея.

На следующем 2D графике представлены два диска Эйри с этим разделением Рэлея и соответствующим разрешением в парах линий (, рис. 6, ). Посмотрите, как вершины (центры) и впадины (стороны) дисков определяют пару линий. Помните, что соответствие — это пара линий на диск Эйри , радиус .

Рисунок 6: Случай Рэлея. Диски Эйри частично перекрываются.
Максимальное разрешение 1 пара линий на радиус диска и низкий уровень контрастности (MTF 9%).

Критерий Рэлея, основанный на остроте зрения человека, не подходит для оценки разрешающей способности объектива, проецирующего изображение на датчик. Сенсор требует большего контраста и разделения между дисками Эйри, чем человеческий глаз. Фовеальные конусы не похожи на пиксели.

Следующий график ( Рисунок 7 ) соответствует случаю контраста ~ 50%. Диски Эйри не перекрываются (паттерны Эйри), разрешение падает, но контраст увеличивается по сравнению со случаем Рэлея.

Рис. 7. Трехмерное изображение двух соседних дисков Эйри в случае MTF ~ 50%.

Двумерное представление помогает визуализировать взаимосвязь между разрешением, контрастностью и разделением дисков. Рисунок 8 дает одно такое представление для этого нового случая. Вы можете определить несколько пар линий, но с более высоким уровнем контрастности. Диски Эйри не перекрываются, но это касается концентрических колец, которые их окружают.Теперь вы можете разрешить максимум одну пару линий на диск Эйри диаметром :

Рисунок 8: MTF ~ 50% случай. Разделение диска Эйри равно нулю. Вы получаете 1 пару линий на каждый диаметр диска Эйри.

Случай ~ 80% представлен на Рисунок 9 . Вы можете разрешить ½ пары линий на диаметр диска Эйри с разделением диаметра диска Эйри (есть некоторое перекрытие паттернов Эйри в области 2, которое обнаруживает «черную» линию, и результирующий контраст не является максимальным ).

Рисунок 9: MTF ~ 80% случай. Разделение диска Эйри равно диаметру диска Эйри.
Вы получаете 1/2 пары линий на диаметр диска Эйри, но при довольно высоком уровне контрастности.

Размер и разделение между дисками Эйри накладывают определенный интервал дискретизации, то есть интервал между пикселями или шаг пикселей . Когда пиксель слишком большой, некоторые детали теряются, а разрешение системы ограничено. Если пиксель слишком мал, система не разрешает больше деталей и ограничивается дифракцией.Кажется, это минимальный порог контрастности и, следовательно, минимальное расстояние между дисками, что соответствует максимальной разрешаемой частоте сигнала и минимальному шагу пикселя.

Вам понадобится пиксель с диагональю не менее диаметра диска Эйри, чтобы определить размер пятна, его положение и яркость. Следовательно, теоретически 1,4-кратный размер пикселя (длина диагонали квадрата пикселя) должен быть равен диаметру диска Эйри.Это будет означать, что диагональ пикселя — это диаметр кружка нерезкости сенсора.

Однако диск Эйри может определять пару линий (см. , рис. 4, ), и вам понадобятся два пикселя, чтобы извлечь эту линейную информацию из пятен и избежать пространственного искажения. Тогда общее правило для оптимальной выборки — 2 пикселя на диаметр диска Эйри в монохромных сенсорах, что соответствует частоте Найквиста 2 пикселя на пару линий.На практике более высокие частоты дискретизации не увеличивают разрешающую способность [10].

Теперь у нас есть все данные, необходимые для расчета оптимального шага пикселя на основе минимального диаметра диска Эйри для линзы с ограничением дифракции.

Таблица 2 . Минимальный диаметр диска Эйри и оптимальная частота дискретизации / размер пикселя для различных длин волн света и линзы с ограничением дифракции.

(1) Диаметр диска Эйри в микронах.
(2) Частота дискретизации (в пикселях на миллиметр) с учетом 2 пикселей на диаметр диска Эйри. Оптимально для монохроматических датчиков и датчиков Байера с антиалиасными фильтрами.
(3) Частота дискретизации (в пикселях на миллиметр) с учетом 4 пикселей на диаметр диска Эйри. Оптимально для датчиков Байера.
(4) Шаг пикселя для корпуса (2), в микронах
(5) Шаг пикселя для корпуса (3), в микронах

На этом этапе вы знаете, что линзы с ограничением дифракции не являются нормальным случаем.Лишь немногие объективы высшего класса приближаются к разрешению, представленному в таблице Table 1 , и даже то, что ограничиваются средними значениями диафрагмы. Рассмотрим диафрагму f / 5,6 в качестве эталона, хотя действительно трудно найти линзу с ограничением дифракции при такой диафрагме [11]. Разрешение с ограничением дифракции для значений диафрагмы f / 8 или f / 11 более реалистично для серийных объективов. Длина волны света также важна. Зеленый цвет соответствует дневному свету и соответствует максимальной чувствительности глаза.Типичные датчики DSRL имеют пиксели в диапазоне от 5 до 6,4 микрон. Например, Pentax K20D имеет 15,1 миллиона пикселей и шаг пикселя 4,9 микрона. Камеры Olympus на базе сенсоров 10 МП имеют пиксели 4,7 мкм. Canon 450D имеет пиксели 5,1 микрон, но Canon 1Ds Mark III имеет пиксели 6,4 микрон. Nikon D300 имеет пиксели 5,3 мкм, а Nikon D3 8,5 мкм. Новый 25-мегапиксельный сенсор Sony формата 35 мм имеет 5,9 микронных пикселей, а Alpha 350 — 14.9 миллионов пикселей по 5 микрон. Помните, что вы не получите большего разрешения, если диаметр диска Эйри в 1,4–2 раза больше, чем шаг пикселя.

Таблица 3 показывает, сколько пикселей соответствует разным форматам, взяв за основу шаг пикселя Таблица 2 . Мы провели расчеты для разных длин волн, значений диафрагмы и размеров формата.

Таблица 3 . Количество пикселей оптимального размера для различных апертур линзы с ограничением дифракции,
длин волн света и форматов, учитывая 2 пикселя на диаметр диска Эйри

Все данные у вас под рукой, но для справки возьмите желто-зеленый свет и значения диафрагмы f / 8-f / 11.Это реалистичный, не слишком сложный случай. Рассмотрим 35-миллиметровую систему с объективом на f / 11. В лучшем случае максимальное разрешение, которое вы получите, эквивалентно 16 МП, даже если ваша камера имеет 22 или 25 МП. В случае системы на основе APS-C ограничение составляет 7 МП, а с учетом формата Four Thirds — 4 МП. При снижении до f / 22 предел эффективного разрешения системы на основе 35 мм достигает 4 МП!

Снова см. Рисунок 2 : объектив ограничивает разрешение системы на основе пикселей 5 микрон с диафрагмой f / 22, но это также относится к f / 16, f / 11 или даже f / 8.Этот шаг пикселя приводит к датчику 4/3 на 10 МП, датчику APS-C 15, датчику 35 МП формата 35 мм и датчику на 70 МП размером 36×48 мм. Сравните теперь эти числа со значениями, представленными в Таблица 3 . Только для объективов с высокой степенью коррекции (с лучшими характеристиками при f / 5,6, чем при f / 8) более высокое разрешение сенсора имеет смысл. Например, вы можете поместить 60 миллионов пикселей в датчик 35 мм, но только объектив с ограничением дифракции при f / 5,6 воспользуется этим преимуществом.Цена, которую нужно заплатить, — это огромные файлы и сравнительно низкое соотношение сигнал / шум (что приводит к шуму, более узкому динамическому диапазону, меньшей тональной изменчивости … см., Например, обзоры Olympus E-3 на dpreview.com и Светящийся пейзаж). Единственный альтернативный способ получить больше деталей — это большая поверхность захвата, то есть больший формат, но аберрации сложнее контролировать для больших световых кругов (см. Переменную «Y» в этой таблице).

Помимо увеличения разрешения, новая рыночная тенденция заключается в обеспечении хорошей обработки шума, более широкого динамического диапазона, более широкой тональной изменчивости и т. Д.Увеличивать количество пикселей в этом контексте становится намного сложнее для сенсоров малого формата, а бессмысленно с точки зрения разрешения .

_____________________________________________________________

Выводы

Итак, сенсоры превосходят линзы по разрешающей способности? Это зависит от используемого вами объектива, свойств света, диафрагмы и формата. Датчики малого формата, возможно, превзошли предел, в большинстве случаев они ограничены объективом с точки зрения разрешения.Тем не менее, легче исправить аберрации для меньшего светового круга, поэтому вы можете приблизиться к разрешению с ограничением дифракции для более низких значений f. Однако отношение сигнал / шум накладывает жесткие ограничения на эффективное разрешение всей системы, в основном из-за дробового шума фотонов .

Датчики для больших форматов приближаются к дифракционному пределу реальных линз, и для них труднее получить высокий уровень подавления аберраций.Дело в том, что вы не можете полностью использовать разрешающую способность сенсоров высокого разрешения с обычными серийными объективами, особенно для больших форматов.

Вы не можете сравнивать пределы двух разных фотографических систем, глядя на отпечаток, потому что в игру вступают переменные, определяющие субъективное восприятие. Различные системы могут обеспечить сравнимые результаты на бумаге при определенных условиях (кружок путаницы , аргументация объясняет, как это возможно), но предел системы должен оцениваться с учетом пикселя как минимального кружка нечеткости.

Благодарности: Я хотел бы поблагодарить Питера Бернса, Нормана Корена, Роджера Н. Кларка, Брайана А. Ванделла и Натана Мирволда за их полезные комментарии и предложения.

Рубен Осуна — профессор университета UNED в Мадриде. Эфраин Гарсия — профессиональный фотограф моды и рекламы.

июнь — 2008

Расчет разрешения сенсора камеры и фокусного расстояния объектива

Обычно объективы имеют фиксированное фокусное расстояние.Кроме того, обычно рабочее расстояние является гибким, поэтому для простых вычислений начните с отношения рабочего расстояния к фокусному расстоянию. Это позволит вам использовать определенные фокусные расстояния объектива для определения необходимого рабочего расстояния. Если рабочее расстояние ограничено, то, инвертируя это соотношение, мы получаем отношение фокусного расстояния к рабочему расстоянию. Это позволит вам использовать ряд вариантов рабочего расстояния, чтобы получить диапазон фокусных расстояний. Затем, когда линза выбрана, вы можете пересчитать точное необходимое рабочее расстояние.

Эти расчеты основаны на следующем уравнении:

Вычислить фокусное расстояние:

• Пример 4 (Использование гибкого рабочего расстояния): мое поле обзора составляет 508 мм x 381 мм, размер моего сенсора — 8,47 мм (диагональ). Отношение рабочего расстояния к фокусному расстоянию составляет 381 мм / 8,47 мм = 45: 1. Итак, если я выберу фокусное расстояние 25 мм (что составляет около 1 дюйма), тогда потребуется рабочее расстояние около 1140 мм (45 дюймов). Если максимальное доступное рабочее расстояние составляет 889 мм (35 дюймов), то инвертирование соотношения (1:45) дает максимальное фокусное расстояние 35/45 = 19.76 мм (7/9 «), поэтому подойдет фокусное расстояние 16 мм. Обратный расчет дает необходимое рабочее расстояние около 711,2 мм (28»).
• Пример 5 (Использование фиксированного рабочего расстояния): мое поле обзора составляет 609,6 мм x 609,6 мм, формат моего датчика — 12,7 мм (диагональ), а мое рабочее расстояние — 1016 мм. Чтобы точно определить фокусное расстояние, вам необходимо знать соотношение сторон сенсора. Если точное значение не требуется, подойдет диагональ. Решение приведенного выше уравнения для фокусного расстояния будет (12.7X1016) / 609,6 = 21,2 мм. Это не обычное фокусное расстояние объектива, поэтому потребуется либо рабочее расстояние, либо нестандартный объектив, который позволяет пользователю изменять фокусное расстояние.

Объективы производятся с ограниченным числом стандартных фокусных расстояний. Стандартные фокусные расстояния линз включают 6 мм, 8 мм, 12,5 мм, 25 мм и 50 мм. После того, как вы выберете объектив, фокусное расстояние которого наиболее близко к фокусному расстоянию, требуемому вашей системой визуализации, вам необходимо отрегулировать рабочее расстояние, чтобы сфокусировать проверяемый объект.

Примечание: Объективы с коротким фокусным расстоянием (менее 12 мм) создают изображения со значительным искажением. Если ваше приложение чувствительно к искажению изображения, попробуйте увеличить рабочее расстояние и используйте объектив с большим фокусным расстоянием. Если вы не можете изменить рабочее расстояние, вы несколько ограничены в выборе объектива.

Для вашей камеры Basler используйте инструмент Basler Lens Selector.

Протокол тестирования линз

DXOMARK и

баллов

В обзоре объективов DxOMark мы оцениваем производительность сменных объективов для камер, оснащенных датчиками, которые могут захватывать изображения в формате RAW.В этой статье мы объясняем, как мы проводим тестирование по различным критериям в лаборатории тестирования качества изображения DxOMark и как результаты теста переводятся в промежуточные оценки и окончательную оценку объектива DxOMark.

Для тестирования мы устанавливаем объективы на камеры и измеряем их по следующим критериям:

Оценка DxOMark для линз

Мы используем промежуточные оценки для вышеуказанных критериев, чтобы вычислить окончательную оценку объектива DxOMark. Оценка показывает количество информации, захваченной объективом данной камеры, и насколько хорошо камера и объектив работают вместе.Однако оценка не отражает внутреннего качества сенсора камеры.

• Оценка объектива DxOMark соответствует среднему из оптимального количества информации, которое камера может захватить для каждого фокусного расстояния. Количество информации рассчитывается для каждой комбинации фокусного расстояния / диафрагмы, и самые высокие значения для каждого фокусного расстояния взвешены для вычисления оценки.
• Оценка объектива DxOMark основана на условиях низкой освещенности (150 люкс и время экспозиции 1/60 с).Мы выбрали эти условия освещения, потому что считаем, что качество съемки при слабом освещении очень важно в современной фотографии, а также потому, что фотографы должны знать, насколько хорошо объективы работают с самой широкой диафрагмой. Объективы с большим диафрагменным числом, как правило, дороги, и фотографы хотят знать, стоит ли их качество дополнительных затрат. Оценка не учитывает глубину резкости, а учитывает только характеристики объектива при идеальной фокусировке.
• Оценка объектива DxOMark представляет собой линейную шкалу , относящуюся к самому большому размеру отпечатка, который обеспечивает отличное качество изображения.Чтобы увеличить размер отпечатка вдвое, необходимо удвоить оценку DxOMark. Разница в баллах менее 10% может считаться несущественной.
• Оценка объектива DxOMark — это открытая шкала , ограниченная объективом и разрешением камеры, а также шумом сенсора. Поскольку мы можем ожидать, что со временем они улучшатся, максимальный балл DxOMark обязательно будет расти с развитием технологий.

Подробнее о том, почему мы основываем наше тестирование на формате изображения RAW, можно узнать здесь. Но теперь давайте подробнее рассмотрим настройки и методики для отдельных критериев тестирования и то, как вычисляются промежуточные оценки, которые используются в окончательной оценке.

MTF и резкость

Функция передачи модуляции (MTF) камеры (корпуса и объектива) измеряется в соответствии со стандартным методом SFR ISO 12233 (см. Определение измерения MTF). Мишень представляет собой узор из белых и черных квадратов, наклоненных под углом 5 ° и заполняющих поле зрения камеры. DxO Labs разработала мишень и изготовила ее на принтере с высоким разрешением, чтобы добиться резких переходов между черными и белыми областями без наложения спектров. Мишень крепится к раме из алюминиевых профилей для обеспечения необходимой жесткости сборки мишени.

Цель равномерно освещена галогеновыми лампами с фильтрами, обеспечивающими дневную цветовую температуру 5500K.

Чтобы гарантировать абсолютную стабильность и предотвратить размытие при движении, камера устанавливается на головку штатива, закрепленную на прочной студийной стойке. Градуированная планка на шарикоподшипниках позволяет очень точно регулировать расстояние между камерой и целью. Чтобы свести к минимуму вибрации, мы используем функцию блокировки зеркала, когда она доступна, и спускаем затвор с помощью пульта дистанционного управления или автоспуска.Перед съемкой мы проверяем параллельность сенсора камеры и плоскости цели, используя зеркало, расположенное заподлицо с целью. Идеальное выравнивание достигается, когда отраженное изображение объектива появляется в центре видоискателя камеры.

Отраженное изображение объектива в центре видоискателя камеры указывает на идеальное совмещение.

Мы выбираем самую низкую фактическую чувствительность ISO камеры, чтобы получать изображения с минимальным уровнем шума. Мы устанавливаем экспозицию так, чтобы белые квадраты цели были чуть ниже насыщенности сенсора в формате RAW, чтобы гарантировать использование всей динамики сенсора.Конечно, мы отключаем все параметры повышения резкости и системы стабилизации камеры или объектива. Для каждого фокусного расстояния и диафрагмы объектива мы делаем снимки в 60 различных положениях фокусировки вокруг точки фокусировки, установленной системой автофокусировки камеры. Затем мы используем самое резкое изображение для измерения MTF камеры.

Мы используем эти результаты для расчета оценки разрешения DxOMark. Оценка представляет собой производительность резкости комбинации объектива и камеры, усредненную по всему диапазону фокусного расстояния и диафрагмы, и рассчитывается следующим образом:

Для каждого фокусного расстояния и каждого числа f вычисляется резкость и взвешивается по полю изображения, при этом углы менее критичны, чем центр изображения.В результате получается число для каждой комбинации фокусное расстояние / диафрагма. Затем мы выбираем максимальное значение резкости из диапазона диафрагмы для каждого фокусного расстояния. Затем эти значения усредняются по всем фокусным расстояниям, чтобы получить оценку разрешения DxOMark, которая отображается в P-MPix (Perceptual Megapixels).

Стоит отметить, что для объективов с широким диапазоном зума разница между резкостью при разных фокусных расстояниях может быть весьма значительной. Для большинства объективов резкость в P-Mpix обычно составляет от 50% до 100% от количества пикселей сенсора, а различия менее 1 P-MPix обычно не заметны.Наилучшее разрешение обычно достигается с помощью фикс-объективов при диафрагме от f / 2,8 до f / 8.

Искажение, LCA и виньетирование

Мы измеряем боковую хроматическую аберрацию (LCA) и искажения на точечной диаграмме DxO Labs, которая представляет собой узор из регулярно расположенных черных точек на стеклянной подставке. (Мы выбрали стекло из-за его плоскостности и стабильности формы.) Точки, напечатанные на диаграмме, имеют круглую форму и идеально выровнены, образуя сетку.

Точечная диаграмма DxO Labs используется для измерения искажений, LCA и виньетирования.

Мы измеряем виньетирование, используя белый фон той же точечной диаграммы. Перед съемкой мы выравниваем датчик камеры на целевой плоскости и проверяем равномерность освещения, чтобы убедиться, что оно остается в пределах +/- 4%. Чтобы повысить точность измерения виньетирования, мы используем откалиброванную комбинацию камеры и объектива для определения фактической равномерности освещения диаграммы. Устанавливаем цветовую температуру 5500К (соответствует дневному свету).

Делаем снимок на каждом фокусном расстоянии и диафрагме.Камера остается на том же расстоянии съемки для кадрирования той же области диаграммы, что означает, что освещение диаграммы идентично для любого фокусного расстояния и диафрагмы. Наконец, мы записываем две дополнительные экспозиции на каждом фокусном расстоянии и на двух разных целевых расстояниях. Для этих снимков мы фокусируем объектив на бесконечность, чтобы рассчитать эффективное фокусное расстояние (EFL).

Мы усредняем абсолютное значение максимального искажения по диапазону фокусных расстояний для вычисления оценки искажения DxOMark (искажение не зависит от диафрагмы).Зум-объективы обычно имеют отрицательное (бочкообразное) искажение для коротких фокусных расстояний и положительное (игольчатое) искажение для более длинных фокусных расстояний. Наша оценка учитывает оба типа искажений. Искажение выражается в процентах, где ноль — идеальный случай, а 1% — высокий. Однако верхнего предела нет. Значение 0,2% указывает на заметное искажение. Также стоит отметить, что широкоугольные объективы обычно имеют больше искажений, чем более длинные.

Для расчета показателя хроматической аберрации мы сначала нормализуем измеренные значения (шкала на датчике 24×36 мм) и взвешиваем их по полю изображения для каждого фокусного расстояния и диафрагмы.Допускаются небольшие аберрации в углах изображения. Для каждого фокусного расстояния мы выбираем наибольшее значение аберрации в диапазоне диафрагмы, а затем усредняем их по всем фокусным расстояниям, чтобы вычислить окончательный показатель хроматической аберрации DxOMark. Хроматические аберрации выражаются в микрометрах (мкм). Идеальное значение — 0; значение 30 было бы очень высоким, но верхнего предела нет. Значение 5 мкм является заметным и соответствует примерно 1 пикселю для большинства камер.

Мы учитываем только максимально возможную диафрагму при расчете оценки виньетирования DxOMark.Мы взвешиваем значения по полю изображения, с большим допуском виньетирования в дальних углах. Затем мы усредняем отдельные значения для каждого фокусного расстояния, чтобы получить окончательный результат виньетирования DxOMark. Виньетирование выражается в величине экспозиции (EV) и является отрицательным числом, так как описывает потерю экспозиции. Никакого виньетирования (0 EV) идеальное. Объективы с очень широкой диафрагмой, вероятно, будут демонстрировать большее виньетирование (часто более 2EV). Вариации ниже 1/3 EV практически не заметны.

Светопередача

Фотометрическая апертура, также известная как «Т-стоп» (Т = пропускание), — это апертура объектива, скорректированная с учетом потерь на пропускание (см. Определение пропускания света).Чтобы измерить светопропускание, мы делаем снимок равномерно освещенной (+/- 1%) опалесцентной мишени.

Настройка измерения T-stop.

Мы выбрали источник света за его исключительную стабильность. Это точно такой же источник, что и для нашего измерения чувствительности ISO: галогенная лампа, отфильтрованная для достижения цветовой температуры дневного света 5500K. Это стоит отметить, потому что мы используем значения чувствительности ISO при расчете T-stop. Мы измеряем яркость рассеивающей поверхности (около 140 кд / м²) сертифицированным измерителем яркости.Зная входной световой поток, реакцию сенсора и выдержку, мы можем затем рассчитать Т-ступень объектива для заданного расстояния фокусировки.

Мы размещаем камеру на расстоянии, в 40 раз превышающем фокусное расстояние объектива (например, 2 метра для объектива 50 мм). Мы делаем один снимок для каждой апертуры объектива с шагом полной ступени.

Чтобы вычислить показатель пропускания, мы измеряем Т-ступень на максимально возможной диафрагме на каждом фокусном расстоянии. Затем мы усредняем эти значения по диапазону фокусных расстояний для расчета окончательной оценки.Т-диафрагмы очень похожи на диафрагмы объектива в том смысле, что меньшие числа означают больше света, а фиксированные линзы обеспечивают наилучшее пропускание. Зум-объективы обычно не могут иметь очень большую диафрагму при большом фокусном расстоянии. Т-стопы косвенно влияют на качество изображения, поскольку обычно меняют автоэкспозицию камеры. Объектив с низким коэффициентом пропускания может потребовать более длительного времени экспозиции и потенциально размытости при движении или более высокой чувствительности ISO и более высоких уровней шума, чем объектив с высоким коэффициентом пропускания. Отклонения ниже 10% не заметны.

Видео

Разрешение | Nikon’s MicroscopyU

Разрешение оптического микроскопа определяется как кратчайшее расстояние между двумя точками на образце, которые все еще могут различаться наблюдателем или системой камеры как отдельные объекты. Пример этой важной концепции представлен на рисунке ниже ( Рисунок 1 ), где точечные источники света от образца выглядят как дифракционные картины Эйри на промежуточной плоскости изображения микроскопа.

Рисунок 1 — Паттерны Эйри и предел разрешения

Предел разрешения объектива микроскопа относится к его способности различать два близко расположенных диска Эйри на дифракционной картине (отмеченной на рисунке). Трехмерные представления дифракционной картины вблизи промежуточной плоскости изображения известны как функция рассеяния точки и проиллюстрированы в нижней части рис. 1 .Изображение образца представлено рядом близко расположенных точечных источников света, которые образуют узоры Эйри и проиллюстрированы как в двух, так и в трех измерениях.

Разрешение — это в некоторой степени субъективное значение в оптической микроскопии, потому что при большом увеличении изображение может казаться нерезким, но все же будет разрешено с максимальной разрешающей способностью объектива. Числовая апертура определяет разрешающую способность объектива, но полное разрешение всей оптической системы микроскопа также зависит от числовой апертуры конденсора подэлемента.Чем выше числовая апертура всей системы, тем лучше разрешение.

Правильная юстировка оптической системы микроскопа также имеет первостепенное значение для обеспечения максимального разрешения. Конденсор подэтапа должен быть согласован с объективом в отношении числовой апертуры и регулировки апертурной ирисовой диафрагмы для точного формирования светового конуса и освещения образца. Спектр длин волн света, используемый для изображения образца, также является определяющим фактором в степени разрешения, обеспечиваемой микроскопом.Более короткие длины волн способны в большей степени разрешать детали, чем более длинные волны. Существует несколько уравнений, которые были выведены для выражения взаимосвязи между числовой апертурой, длиной волны и разрешением :

Формула 1 — Числовая апертура, длина волны и разрешение

Разрешение (r) = λ / (2NA)

Формула 2 — Числовая апертура, длина волны и разрешение

Разрешение (r) = 0.61λ / NA

Формула 3 — Числовая апертура, длина волны и разрешение

Разрешение (r) = 1,22λ / (NA (obj) + NA (cond))

Где r — разрешение (наименьшее разрешаемое расстояние между двумя объектами), NA — общий термин для числовой апертуры микроскопа, λ — длина волны изображения, NA (obj) — числовая апертура объектива, NA (cond) — числовая апертура конденсатора.Обратите внимание, что уравнения (1) и (2) отличаются коэффициентом умножения, который составляет 0,5 для уравнения (1) и 0,61 для уравнения (2) . Эти уравнения основаны на ряде факторов (включая множество теоретических расчетов, выполненных физиками-оптиками) для учета поведения объективов и конденсаторов, и их не следует рассматривать как абсолютную величину какого-либо одного общего физического закона. В некоторых случаях, таких как конфокальная и флуоресцентная микроскопия, разрешение может фактически превышать пределы, установленные любым из этих трех уравнений.Другие факторы, такие как низкий контраст образца и неправильное освещение, могут способствовать снижению разрешения и, чаще всего, реальному максимальному значению r (около 0,25 мкм при длине волны среднего спектра 550 нанометров) и числовая апертура от 1,35 до 1,40 на практике не реализуется. В следующей таблице (Таблица 1) приведены значения разрешения ( r ) и числовой апертуры ( NA ) в зависимости от увеличения и коррекции объектива.

Таблица 1 — Разрешение и числовая апертура по объективной коррекции

	Тип объектива
	Plan Achromat		Plan Флюорит		План Апохромат
Увеличение	Н.А.	Разрешение (мкм)	Н.А.	Разрешение (мкм)	Н.А.	Разрешение (мкм)
4 шт.	0,10	2,75	0,13	2,12	0,20	1,375
10 шт.	0,25	1,10	0,30	0,92	0,45	0,61
20x	0.40	0,69	0,50	0,55	0,75	0,37
40x	0,65	0,42	0,75	0,37	0,95	0,29
60x	0,75	0,37	0,85	0,32	0,95	0,29
100x	1,25	0,22	1,30	0.21 год	1,40	0,20

N.A. = числовая апертура

Когда микроскоп находится в идеальном положении и объективы соответствующим образом согласованы с конденсатором подстадии, мы можем подставить числовую апертуру объектива в уравнения (1) и (2) , добавив в результате уравнение (3) сводится к уравнению (2) . Важно отметить, что увеличение не является фактором ни в одном из этих уравнений, потому что только числовая апертура и длина волны освещающего света определяют разрешение образца.

Как мы уже упоминали (и это видно из уравнений), длина волны света является важным фактором в разрешающей способности микроскопа. Более короткие длины волн дают более высокое разрешение (более низкие значения для r ) и наоборот. Наибольшая разрешающая способность в оптической микроскопии достигается с помощью света, близкого к ультрафиолетовому, — самой короткой эффективной длины волны изображения. За светом, близким к ультрафиолетовому, следует синий, затем зеленый и, наконец, красный свет, что позволяет различать детали образца.В большинстве случаев микроскописты используют белый свет, излучаемый вольфрамово-галогенной лампой, для освещения образца. Спектр видимого света составляет около 550 нанометров, это основная длина волны зеленого света (наши глаза наиболее чувствительны к зеленому свету). Именно эта длина волны использовалась для расчета значений разрешения в таблице 1. Числовое значение апертуры также важно в этих уравнениях, и более высокие числовые апертуры также обеспечивают более высокое разрешение. Влияние длины волны света на разрешение при фиксированной числовой апертуре (0.95), приведен в Таблице 2, причем более длинные волны приводят к снижению степени разрешения.

Таблица 2 — Разрешение в зависимости от длины волны

Длина волны (нанометров)	Разрешение (микрометры)
360	,19
400	,21
450	0,26
550	.29
600	.32
650	.34
700	.37

Разрешающая способность микроскопа является наиболее важной характеристикой оптической системы и влияет на способность различать мелкие детали конкретного образца. Как обсуждалось выше, основным фактором при определении разрешения является числовая апертура объектива, но разрешение также зависит от типа образца, когерентности освещения, степени коррекции аберрации и других факторов, таких как методика повышения контрастности в оптической системе микроскоп или в самом образце.В конечном итоге разрешение напрямую связано с полезным увеличением микроскопа и пределом восприятия деталей образца.

Разрешение оптики

В случае измерительных приложений, проверки очень мелких деталей изображения, а также оптического изображения на очень маленьких пикселях камеры, разрешение оптики представляет особый интерес.

Существуют явные различия в качестве, которые во многом зависят от используемых очков, покрытия линз и всей конструкции оптики.В частности, оптические ошибки, такие как сферическая или хроматическая аберрация, кому и астигматизм, приводят к нечетким изображениям, что приводит к значительному снижению разрешения.

Стандартный объектив

Из-за различных оптических ошибок и меньшего MTF получаются не особо резкие изображения.Оптика не может отображать мелкие структуры с помощью камеры высокого разрешения с размером пикселя 3,45 мкм. Ошибки очень сильные, особенно в углах изображения.

Объектив высокого разрешения

Даже небольшие структуры четко распознаются с помощью сенсора высокого разрешения.Также в пограничных областях изображение выглядит резким. Вырез изображения размером 640×480 пикселей из 5-мегапиксельного изображения (камера с маленьким сенсором размером 3,45 мкм)

Ограничение разрешения: дифракционные эффекты

Свет с его волновыми характеристиками отклоняется на апертуре линзы. Изображение предметного пятна представляется не как идеальное пятно, а как слегка размытое световое пятно, окруженное слабыми концентрическими дифракционными узорами.Чем больше закрывается апертура оптики, тем больше перекрываются дифракционные картины: уменьшается разрешение изображения!

Остановить объектив: ограничение разрешения

Дифракцию света на щели нельзя уменьшить никакими корректирующими мерами, она зависит только от ширины щели (апертуры) и длины волны света. Оптика идеального качества не вызывает каких-либо ошибок изображения, следовательно, резкость изображения определяется только дифракцией (оптика с ограничением дифракции)

Однако на практике становится очевидным, что остановка объектива примерно на 2 ступени диафрагмы заметно улучшает качество изображения.Оптические ошибки, такие как кома, астигматизм, сферические продольные ошибки и т. Д., Уменьшаются за счет остановки, так что улучшение качества этого эффекта больше, чем снижение разрешения из-за эффекта дифракции на щели. Начиная с остановки 8, дифракционный эффект обычно снижает разрешение. Более подробная информация представлена ​​в главе «Предельное разрешение и MTF».

Важное значение для машинного зрения

• Обратите внимание на высокое оптическое качество ваших линз. Они должны быть способны копировать мелкие структуры на датчике.Прежде всего, решающее значение имеет размер пикселя сенсора камеры. Чем меньше пиксели сенсора, тем выше должно быть разрешение оптики!
• При достаточном освещении остановите оптику примерно на 2 диафрагмы. Слишком мало света можно компенсировать улучшением освещения или контроллером светодиодной вспышки. Если свет слишком интенсивный и слишком малое экспонирование сенсора привело к ухудшению изображения, нейтральный серый фильтр может помочь избежать слишком сильного опускания линзы.
  Разрешающая сила объектива: Фотообъектив. Разрешающая сила. | ДРУГ ФОТОАППАРАТ