Разрешающая способность объектива: ЧКХ (MTF), разрешение и контраст

Содержание

Разрешающая сила объектива — это… Что такое Разрешающая сила объектива?

Разреша́ющая си́ла объекти́ва — характеристики фотографического объектива, отображающие его свойства по передаче чёткого изображения.

Разрешающая способность объектива оценивается по количеству воспроизводимых штрихов на 1 мм изображения, которое тот способен спроецировать на фоточувствительный элемент (плёнку или матрицу цифровой камеры). Само собой разумеется, что при этом снимаемый объект находится в фокусе, а не в зоне резкого изображения для данного объектива. Измерения разрешающей способности проводят с помощью специальных мир.

Неоднородности разрешающей силы

Разрешающая сила объективов неоднородна по полю изображения, обычно уменьшаясь к краям изображения. Это обусловлено наличием у объектива внеосевых аберраций (кома, астигматизм), которые не наблюдаются в центре поля.

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

Для каждого объектива существует относительное отверстие (диафрагма), при котором его разрешающая сила максимальна. Это обусловлено тем, что сначала при диафрагмировании происходит улучшение изображения за счет уменьшения аберраций, а потом ухудшение за счёт дифракции.

Для определения оптимальной по разрешающей силе диафрагмы для конкретного объектива следует обратиться к результатам тестов. В целом, с ростом максимальной разрешающей способности ее максимум смещается в сторону более открытой диафрагмы.

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 заведомо не выше 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 измерялась 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:

,

где – разрешающая сила объектива в линиях на 1 мм; — разрешающая сила светочувствительного элемента в линиях на 1 мм. Данная формула непригодна для матричных фотоприемников в связи с их дискретным характером.

Литература

  • Яштод-Говорко В. А. Фотосъёмка и обработка. Съёмка, формулы, термины, рецепты. 4-е изд., сокр.
    — М.: «Искусство», 1977.

Ссылки

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 1,182 = 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 1,37

2 = 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.

Увеличение и разрешающая способность светового микроскопа

Микроскоп – сложная оптическая система, позволяющая увеличивать изображение исследуемого объекта с десятки и сотни раз. У всех них есть принцип действия, а также характеристики, от которых зависит сфера работы каждого увеличительного прибора.

Увеличение микроскопа

Работа со световым микроскопом проводится для получения изображения под увеличением. Различают несколько его типов: объектив, окуляр, а также диапазон увеличения. Также у современного оборудования есть и цифровое.

Во сколько раз увеличивает световой микроскоп?

В обычном устройстве установлены две линзы, которые являются короткофокусными. Это окуляр и объектив.

Окуляр – это часть увеличительного прибора, устанавливаемая в окулярный узел, куда непосредственно смотрит исследователь. Его кратность в среднем составляет 10-20, величина этого параметра зависит от марки и вида прибора. Эти элементы могут быть съемные, а могут и быть установлены стационарно.

Как определить увеличение светового микроскопа?

Увеличение изображения, обеспечиваемое световым микроскопом, соответствуют произведению усиления окуляра и объектива. То есть изображение, которое мы видим при увеличении объекта, является совместной работой одного и второго элемента.

Объективы же – это элементы, которые также имеют в совеем составе увеличительные линзы. Данная конструкция закреплена на револьверном блоке, на котором может быть несколько объективов.

Например, если окуляр имеет значение кратности 10, а объектив – 20, то общее увеличение составляет 200 крат. Чтобы добиться необходимого размера, стоит поставить лишь подходящие оптические элементы. Однако, есть и ограничения в этом показателе.

Во сколько раз он увеличивает изображение максимально?

Даже самые современнее и мощные микроскопы не смогут увеличить объект свыше 2000 крат, так как изображение будет просто нечетким, и его визуализация будет невозможна.

Цифровое увеличение же зависит от возможности камеры, а также параметров экрана, на который будет выводиться изображение.

Поле зрения микроскопа

Поле зрения является параметром, характеризующий предельно максимальный диаметром области, который может быть визуализирован человеческим глазом при исследовании через окуляр. Зависит поле зрения от:

  • Характеристик окуляра;
  • Особенностей объектива;
  • Диаметра тубуса.

Данную величину можно рассчитать в миллиметрах, если исследовать миллиметровую шкалу линейки через микроскоп, при этом поле зрения не зависит от кратности увеличения окуляра.

Диаметр выходного зрачка микроскопа

Для того, чтобы определить такой показатель, как диаметр выходного зрачка, необходимо применение динаметра Рамсдена. Также для измерения такой величины может использоваться диоптрийная трубка со стеклянной шкалой. В фокальной плоскости анной лупы расположена сетка, цена деления которой составляет 0,1 миллиметр.

Разрешающая способность

Важными параметрами для увеличительного оборудования является и разрешающая способность светового микроскопа.

Смыслом определения разрешающая способность светового микроскопа, является возможность оптической системы четко различать две рядом расположенные точки. Это минимальное расстояние, расположенное между двумя точками, различающимися отдельно друг от друга.

Есть пределы разрешения светового микроскопа.

Максимальная разрешающая способность равна 0,25 мкм, это предел разрешающей способности светового микроскопа.

Если не достигнут предел разрешения светового микроскопа, то ее можно увеличить. Это возможно путем увеличения апертуры объектива или уменьшением длины волны света.

Полезное увеличение

Это показатель, который определяет увеличение, способное увидеть глазом исследователя, равное разрешающей способности прибора.

Это означает, что разрешающая способность человеческого глаза равна такому же показателю увелиивающего устройства. Для того, чтобы определить максимальную разрешающую способность объектива, необходимо подобрать от 500 до 1000 крат.

Минимальное полезное увеличение – это числовая апертура, помноженная на 500. Соответственно, максимальное увеличение – это числовая апертура, умноженная на 1000. Использование значений, менее минимальных, не даст возможности использовать разрешающую способность в полном объеме, а работа на больших параметрах не дать более четкого изображения изучаемого объекта.

Какие органоиды можно увидеть в световой микроскоп?

При помощи него можно довольно детально изучить структуру и строение клетки и ее органелл. В стандартный световой микроскоп можно увидеть рибосомы, комплекс Гольджи, который был открыт именно при помощи данного оборудования Камилло Гольджи, ядро, вакуоли, митохондрии, хлоропласт. Также прекрасно визуализируется клеточная стенка.

При выборе такой аппаратуры очень важно понимать ее сферу применения, так как для школьной лаборатории вполне достаточными параметрами обладает обычный световой микроскоп, а для научно-исследовательской, медицинской лаборатории, его мощности будет недостаточно для достижения всех поставленных целей. Среди такой техники можно выделить оптические, электронные, рентгеновские микроскопы, сканирующие оптические микроскопы ближнего поля и другие.

Разрешающая способность объектива — Энциклопедия по машиностроению XXL

Пространственное разрешение П. к, определяется масштабом фотографирования, разрешающей способностью объективов я плёнки, относит, отверстием объективов (при фотографировании больших глубин с малого расстояния), мощностью источника света и его монохроматичностью, стереоскопия, углом, определяемым базой (расстоянием между оптич. осями фотографирования) и высотой. Требуется знание оптич. констант П. к., т. к. фотографирование производится через неск. разл. оптич. сред (стекло, жидкость, воздух). Голография, метод регистрации позволяет получить изображение пузырьков в толстых слоях жидкости при их размерах 10 мкм. Пространственное разрешение П. к. приближается к разрешению в ядерных фоте эмульсиях. i  [c.179]
Спеклы в изображении объекта, освещаемого белым светом, можно создать искусственно, если нанести на поверхность объекта соответствующее покрытие. Специальные покрытия делают из очень мелких прозрачных и непрозрачных шариков, причем непрозрачные — белого цвета. Такое покрытие действует как катафот большая часть света, исходящего из источника, посылается обратно на источник. Если разрешающая способность объектива, формирующего изображение объекта, достаточно велика, то в изображении будет наблюдаться множество мелких световых пятен, которые выглядят как настоящие спеклы.  [c.27]

Нижний предел увеличения, при котором выходной зрачок имеет диаметр, равный 1 мм, носит название нормального увеличения микроскопа. При верхнем пределе диаметр выходного зрачка равен 0,5 мм Полезное увеличение телескопической системы определяется из условия, что разрешающая способность телескопической системы может быть использована глазом наблюдателя в полной мере, т. е. что угловое расстояние между изображениями двух точек за окуляром должно быть не меньше определенной величины, например Г. При таком условии разрешающая способность системы определяется разрешающей способностью объектива. Из формул (42) и (Йа)  [c.135]

К расчету предельной разрешающей способности объектива телескопа  [c.242]

Определим предельную разрешающую способность объектива телескопа. Предмет удален на бесконечность, а изображение предмета образуется в фокальной плоскости объектива с фокусным расстоянием / (рис. 188)1 На основании, (33.27) заключаем что радиус центрального светлого пятна равен  [c.243]

Практически фотографическая разрешающая способность зависит от аберраций фотообъективов и свойств фотографических слоев. Так, например, у высокочувствительных крупнозернистых эмульсий разрешающая способность равна приблизительно 40—50 линиям на 1 мм, у мелкозернистых позитивных 100—150, у фотоматериалов специального назначения 200—300. Как правило, разрешающая способность системы из фотографического объектива и светочувствительного слоя значительно меньше, чем теоретическая разрешающая способность объектива, взятая в отдельности (см. табл. 71).  [c.132]

Для повышения разрешающей способности объектива вместо бесцветного светофильтра БС-8 установим голубой светофильтр СС-1,  [c.88]

Кроме увеличения разрешающей способности объективов, косо падающий свет повышает контрастность изображения (за счет достижения рельефности). Косого освещения можно достичь с помощью диафрагм с эксцентрично расположенными отверстиями, вкладываемых в держатель под конденсором (для конденсоров, не имеющих устройств для смещения ирисовой диафрагмы), или путем смещения апертурной диафрагмы конденсора с помощью реечного механизма (конденсор ОИ-14) и ее поворота по любому азимуту на угол около 150°.  [c.163]


Величина увеличения зависит от наблюдателя и расстояния до наблюдаемого объекта. Масштаб изображения (отношение величины изображения А»В к величине объекта АВ), напротив, является величиной, не зависящей от наблюдателя. Границы применения микроскопа определяются физической природой света и особенностями оптических линз. Определяющей при этом является разрешающая способность объектива, которая, согласно уравнению  [c.113]

Таким образом, в случае отсутствия аберраций разрешающая способность объектива зависит только от диаметра объектива и пропорциональна этому диаметру.  [c.32]

Разрешающая способность фотоаппарата определяется в основном отверстием его объектива, хотя она может зависеть и от сорта используемой фотопластинки. Дело в том, что зернистая структура светочувствительного слоя может наложить ограничения на разрешающую способность объектива фотоаппарата. Это происходит, если изображения двух точек, разрешенных фотообъективом, попадут на одно и то же зерно эмульсии фотопластинки. Это может иметь место и вследствие эффектов, связанных с рассеянием света в эмульсионном слое. Тогда изображения точек хотя и попадут на соседние зерна эмульсии, но ввиду рассеяния света распределение почернения окажется таким, что оно даст не два, а одно пятно.  [c.32]

Человеческий глаз обладает неодинаковой чувствительностью к разным цветам спектра наибольшей чувствительностью он обладает к желто-зеленым цветам. Поэтому применение желто-зеленого светофильтра, отфильтровывающего другие составляющие белого света, позволяет более четко наблюдать особенности структуры. Желто-зеленые светофильтры уменьшают хроматическую аберрацию и, кроме того, выделяя лучи с меньшей длиной волны, повышают разрешающую способность объектива.  [c.63]

Шлиф освещается (см. рис. 37) через объектив от плоскопараллельной пластинки или секторной призмы, которая устанавливается, если необходимо повысить яркость освещения для фотографирования. Поскольку при введении призмы уменьшается разрешающая способность объектива, ее применяют при сравнительно меньших увеличениях микроскопа (до 500—600 раз). Необходимая яркость при больших увеличениях достигается включением лампы КЗО при использовании плоскопараллельной пластинки (а не призмы). При исследовании образцов в светлом поле (при вертикальном освещении) лучи света проходят через систему линз и диафрагм, падают на плоскопараллельную пластинку, расположенную под углом 45°, и, отражаясь от нее, освещают через объектив микрошлиф. Лучи, отраженные поверхностью микрошлифа, проходят снова через объектив, пластинку и ахроматическую линзу.  [c.68]

В практических условиях полезное увеличение в данной оптической системе для видимого света можно принять равным 100 апертур взятого объектива. Таким образом, если, напри мер, был взят объектив микроскопа с апертурой 0,65, то полез ное увеличение оптической системы будет равно 650. Если подо брать соответствующий окуляр, то можно получить четкое изо бражение, используя разрешающую способность объектива В частности, поскольку указанный объектив дает увеличение в 40 раз, то увеличение окуляра не должно быть больше 15 раз Если же, работая с этим объективом и выбирая окуляр с боль шим увеличением, исследователь попытается получить увеличение, например, 1000 раз, то новые детали структуры не только не будут обнаружены, но и те, которые наблюдались при увеличении 600, будут менее четкими, так как предел полезного увеличения был превзойден. Таким образом, если в последнем при.ме-ре требуется увеличение 1000 раз, то надо выбрать объектив с большей числовой апертурой (например 1,25), которая всегда указана наряду с увеличением объектива на его оправе. Тогда полезное увеличение в оптической системе, использующей этот объектив, может быть доведено до 1250 раз. Естественно, что требуемое увеличение в 1000 раз будет надежно получено в такой системе и обеспечит выявление новых деталей строения.  [c.87]

Шлиф освещается (см. рис. 53) через объектив от пло-ско-параллельной пластинки или секторной призмы, которая устанавливается, если необходимо повысить яркость освещения для фотографирования. Поскольку при введении призмы уменьшается разрешающая способность объектива, ее применяют при сравнительно меньших увеличениях микроскопа (до 500—600 раз). Необходимая яркость при больших увеличениях достигается включением лампы КЗО при использовании плоско-параллельной пластинки (а не призмы). При исследовании образцов в светлом поле (при вертикальном освещении) лучи света проходят через систему линз  [c.96]


С другой стороны, разрешающая способность объектива, например 100 X 1,25 по формуле (I. 14), равна б = 0,2 мкм. Следовательно, при реальном поле зрения в 0,2. и.н объектив микроскопа разрешает 1000 линий, тогда как экран кинескопа разрешает только 312 линий.  [c.79]

Необходимо предупредить читателя еще и о том, что при сильном диафрагмировании ухудшается разрешающая способность объектива, т. е. снижается абсолютная резкость изображения. Разрешающая способность объектива характеризуется числом линий на мм, которые объектив способен разрешить , т. е. воспроизвести на снимке в виде отчетливо различимых отдельных линий.  [c.5]

Разрешающая способность объектива 300 штрихов на 1 мм в центре экрана и 240 штрихов на 1 мм по краям (200 мм от центра).  [c.320]

Принципиальное отличие от случая некогерентных источников света состоит в появлении дополнительного — интерференционного — члена. Это сказывается на критерии разрешения и на разрешающей способности объектива. Меняя угол наклона О, можно повысить разрешающую способность объектива.  [c.360]

Как и в случае телескопа, нормальное увеличение микроскопа есть наименьшее увеличение, при котором может быть использована вся разрешающая способность объектива. О целесообразности работать при увеличениях больше нормального для микроскопа можно повторить без всяких изменений все, что выше было сказано относительно телескопа.  [c.367]

Если при определении разрешающей способности довольствоваться наименее совершенным изображением, которое правильно передавало бы только периодическую структуру решетки с периодом d, то разрешающую способность объектива микроскопа можно определить следующим образом. Пусть решетка освещается нормально падающими лучами света (рис. 219, а). Тогда для разрешения необходимо, чтобы наряду с прямо прошедшим пучком света в объектив попали также дифракционные пучки первого и минус пер-  [c.369]

Как изменится разрешающая способность объектива телескопа, если его центральную часть закрыть -круглым экраном, диаметр которого мало отличается от диаметра самого объектива  [c.376]

Производится фотографирование удаленных предметов с помощью объектива телескопа на фотопластинке, помещенной в его фокальной плоскости. Полученный снимок с помощью окуляра того же телескопа проектируется на удаленный экран. Каково должно быть угловое увеличение телескопа, чтобы при этом была использована полностью разрешающая способность объектива телескопа Изображение на экране рассматривается с того места, где установлен проекционный аппарат.  [c.376]

Чтобы использовать разрешающую способность объектива, т. е. увидеть те детали структуры объекта, которые разрешаются объективом, необходимо установить соответствующее увеличение микроскопа. Увеличение микроскопа М называют полезным, если разрешаемые детали структуры можно наблюдать под углом зрения 2 —4. Полезное увеличение находятся в пределах Л 500Л-н ЮООЛ (2).  [c.23]

Во второй четверти этого столетия по почнну оптиков-вычис-лителей советской школы стало общепринятым приводить подробные таблицы аберраций наклонных пучков как для меридионального, так и для экваториального сечений в некоторых редких случаях определялись распределение освещеиностн в кружке рассеяния (без учета дифракции) и вытекающая отсюда разрешающая способность объектива. Однако при отсутствии ЭВМ количество этих определений ограничивалось громоздкостью вычислений.  [c.208]

На фиг. 95 показана оптическая схема осветителя. Источник света 1 коллектором 2 проектируется в плоскость апертурной диафрагмы 3. Полевая диафрагма 4 линзой 5 и объективом 6 проектируется на объект. На пути света может быть помещен светофильтр 7. Поляризатором служит поляризационная призма 8. Полупрозрачная отражательная пластинка 9 частично отражает в объектив свет, идущий из осветителя, и в то же время позволяет вести через нее наблюдения. Пластинка 9 может быть заменекс. призмой 10. С помощью призмы достигается большая освещенность поля зрения, эффект косого освещения, подчеркивающий рельеф в структуре, и отсутствие вредных рефлексов. Однако при этом вдвое уменьшается используемая апертура объектива (так как освещение и наблюдение ведутся через разные половины объектива), а следовательно, уменьшается и разрешающая способность объектива. Призма дает преимущества при изучении слабо-  [c.174]

Формула (36.19) для разрешающей способности объектива получена на основании соотношения (33.27), которое было выведено в предположении, что амплитуда и фаза падающей волны постоянны во всех точках отверстия объектива (однородная апертура). При этом условии единственным способом увеличения, разрешающей способности при фиксированнш длине. волны является увеличение радиуса объектива. Однако радиус центрального дифракционного максимума в дифракционной картине на круглом отверстии фиксированного радиуса может быть уменьшен специальным подбором распределения амплитуд и фаз излучения в плоскости объектива, вследствие чего увеличивается разрешающая способность объектива Однако при этом интенсивдостъ центрального максимума уменьшается Следовательно, если допустимо уменьшение яркости изображения, то разрешающую способность объектива можно увеличить без увеличения его радиуса за счет соответствующей фазово-амплитудной г одуляции падающего на объект , света.  [c.243]

Иммерсионные жидкости. Отклонение световых лучей при переходе их через границы сред, имеющих разные показатели преломления, вызывает аберрации и потери света, что приводит к снижению разрешающей способности объективов и ухудшению качества изображений. Для устранения этих явлений пространство между препаратом и объективом микроскопа заполняют жидкостью, называемой иммерсионной. Как правило, иммерсионные жидкости пpимeняюf я при работе с короткофокусными объективами (менее 3 мм), дающими большое увеличение. Рабочие расстояния этих объективов очень малы (от 0,08 до 1,9 мм).  [c.67]


Выше были проведены основные теоретические положения о разрешающей способности объектива и способы повышения разрешения. Однако во всех случаях рассуждения и построенные на их основе зависимости рассматривались относительно световых лучей, 1йправ-ленных параллельно оптической оси микроскопа. Если же для освещения препарата использовать косо падающие лучи, то при наиболее косом освещений, насколько оно возможно, разрешающая способность увеличится ровно вдвое. Пределом наклона световых луч.ей по отношению к оптической оси объектива следует считать угол, при котором световые лучи еще мoгyf попасть в объектив и который приблизительно равен половине апертурного угла используемого объектива. Таким образом, при косом освещении микрообъектов можно практически вдвое увеличить разрешающую способность объектива, не изменяя среды, в которой изучается препарат, и применяемого источника света (22, с. 146]. В табл. 4.3 приведены вычисленные значения разрешающей способности для наиболее распространенных объективов при вертикальном и наиболее, косо падающем свете при ис-  [c.162]

Разрешающая способность объектива мик1)оскопа и его числовая анертура. Вопрос о разрешающей способности микроскопа, т. е. о наименьшем еще различимом расстоянии между двумя точками наблюдаемого предмета, представляет большой практический интерес.  [c.53]

Подбор объективов и окуляров для нолучения необходимого увеличения нельзя делать чисто механически, так как всегда следует принимать во внимание величину разрешающей способности объектива лп1кроскопа или, иначе говоря, его числовую апертуру. Может случиться, что увеличение лгикроскона хотя п будет очень большим, а тем не менее из-за ограничений разрешающей силы объектива желаемого эффекта достигнуто не будет. Детали объекта не разрешатся, так как они окажутся для данного объектива меньше предельно им разрешимых. Такое увеличение микроскопа будет бесполезным.  [c.55]

Знаку равенства здесь соответствует введенное в 7.5 нормальное (равнозрачковое) увеличение (7.38), при котором весь проходящий через микроскоп световой поток попадает в глаз. Таким образом, нормальное увеличение совпадает с наименьшим увеличением, при котором полностью используется разрешающая способность объектива. Как и в случае телескопа, применение увеличений, превышающих нормальное, не может выявить новых деталей изображения и лишь снижает освещенность, но, как уже отмечалось, в некоторых случаях оно оказывается целесообразным по причинам физиологического характера.  [c.371]

Длина волны ближней инфракрасной области излучения вдвое больше, чем видимой. Стедовательно, разрешающая способность объективов в инфракрасной области снижается в 2 раза. Поэтому здесь необходимо применять высокоапертурные объективы.  [c.63]

Микрошлиф освещается (см. рис. 9) через объектив от плоско-параллельной пластинки или секторной призмы, которая устанавливается в тех случаях, когда необходимо повысить яркость освещения для фотогра фирования. Поскольку разрешающая способность объектива при введении призмы уменьшается, ее применяют при сравнительно небольших увеличениях микроскопа (до 500—600). НеобхО ДИмая четкость изображения при больших увеличениях (500— 2000) достигается при использовании плоско-параллельной пластинки, а не призмы.  [c.154]

АББЕ ОСВЕТИТЕЛЬ, часть биологич. микроскопа, предназначенная для сосредоточения светового пучка, падающего на препарат, и регулирования ширины и направления этого пучка. Состоит из двустороннего плоско-вогнутого зеркала, двух- или трехлинзового конденсора и ирисовой диафрагмы. Диафрагма расположена впереди конденсора (считая по направлению света) близко от первой линзы посредством кремальеры м. б. смещена в сторону от оптич. оси конденсора. Кроме того диафрагму можно вращать вокруг оси конденсора, что дает возможность направлят на препарат косой пучок желаемой ширины под любым азимутальным углом. Конденсор вместе с диафрагмой может передвигаться вдоль оси микроскопа. Предусмотрено удобное пользование светофильтрами. Смысл применения такого осветительного устройства в том, что при освещении узким косым пучком разрешающая способность микроскопа в 1,5—2 раза больше, чем при центральном освещении или при широкой диафрагме. Для того чтобы всецело использовать разрешающую способность объектива микроскопа, необходимо, чтобы апертура конденсора была бы не меньше, чем апертура объектива. Наиболее совершенные конденсоры — трехлинзовые апланатические с  [c.9]

В микроскопе МИМ-5 для фотографирования вместо призмы поли используется плоско-параллельная пластинка, покрытая на небольшом у ости тонким слоем алюминия. Для фотографирования такую пласти в той же плоскости, с тем чтобы лучи света, идущие от осветителя, п сток пластинки, покрытый алюминием. Этот участок пластинки отража большую часть светового потока и направляет его через объектив н Отраженные от микрошлифа световые лучи при обратном ходе минук ванную часть пластинки и попадают через проекционный окуляр в В этом случае, как и при использовании призмы полного отражени стр. 85), повышается яркость, а следовательно, и контрастность из снижается разрешающая способность объектива.  [c.90]

Каково должно быть фокусное расстояние окуляра микроскопа, чтобы была полностью использована разрешающая способность объектива Числовая апертура объектива равна nsina, фокусное расстояние объектива fi, длина тубуса (трубы микроскопа) /. Длину тубуса можно считать равной расстоянию между объективом и плоскостью первого изображения (т, е. изображения, даваемого объективом).  [c.377]

Разрешающая способность объектива характеризуется максимальным количеством близко расположенных линий (предметов), раздельно изображаемых объективом на протяжении одного миллиметра пюскостн изображения Ее ве личина / оо выражается числом линий на 1 мм Если — толщина в мм самых тонких штрихов, ясно различимых на изображении, то Rav = 0,5d  [c.361]


5лаба (Царь) — хуй — Измерение разрешающей способности объективов


С этим файлом связано 1 файл(ов). Среди них: текстыАНГЛ.docx.
Показать все связанные файлы
Подборка по базе: ЛБ2 Измерение угловых размеров.docx, п_р измерение углов.docx, Профессиональные интересы, склонности и способности..docx, Практическая работа по теме__Длина и её измерение_5 кл) 1.12.21., Лабораторная работа №2 Измерение модуля упругости (модуля Юнга) , Как развивать творческие способности.doc, Измерение разрешающей способности объективов-1.pdf, matematika Измерение площади с помощью палетки..pptx, Лабораторная работа. Измерение индуктивности катушки.docx, 7. Способности.pptx


Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)


Отчёт по лабораторной работе № 5
По дисциплине:
Физика
(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)
Тема: Измерение разрешающей способности объективов

Выполнил: студент гр. ЭР-03-2 ______________ /Яковлев Е. В./

(подпись) (Ф.И.О.)

ОЦЕНКА: _____________
Дата: __________________

Проверил: ____________
/Корольков А.П./
(подпись) (Ф.И.О.)

Санкт-Петербург

2004 год.

Описание установки.
Для определения разрешающей способности объективов используют установку, принципиальная схема которой, изображена на рис. З.

У
становка состоит из осветителя 1, револьверной насадки С с набором светофильтров, револьверной насадки с эталонными штриховыми мирами 2, коллиматора 3, исследуемого объектива 4 и микроскопа 5. Осветитель с лампочкой накаливания 12 В питается от сети через понижающий трансформатор,

Объектив коллиматора, в фокусе которого расположена мира, образует параллельные пучки света от каждой точки миры. Угол между этими пучками

,

где L — расстояние между штрихами миры; F — фокусное расстояние объектива коллиматора, F=160 см.

На пути этих пучков ставится исследуемый объектив 4, в фокальной плоскости которого образуется изображение миры. Мира (рис. 4) — это испытательная таблица для определения разрешающей силы объектива. В ней имеется 100 заштрихованных квадратиков с возрастающей частотой штриховки. Квадратики сгруппированы четверками, частота штриховки в каждой четверке одинакова, а ориентация различна. Таким образом, каждая мира содержит 25 полей с различными частотами штриховки. Первое поле содержит четыре квадратика с самой грубой штриховкой, последнее (двадцать пятое) — четыре квадратика с самой мелкой штриховкой. Всего мир пять, самая крупная № 5. Мира № 4 вдвое мельче и т.д.

Линейная разрешающая способность характеризует минимальное расстояние d между разрешенными точками изображения.

Величины  и d связаны друг с другом соотношением ,

где F— фокусное расстояние объектива.

Разрешающая способность идеального объектива определяется только дифракцией. В этом случае разрешаются по Релею два удаленных точечных объекта, угловое расстояние между которыми

,

где D — диаметр объектива;  — длина волны.
Ход работы:
Красный фильтр

=6500 А0.


Номер разрешающегося поля

Номер миры

D,мм

эксп

теор

16

3

46,7

0,00002175

0,00001698

15

3

37,5

0,00002375

0,00002115

13

3

26,7

0,00002950

0,00002970

9

3

19,1

0,00003950

0,00004152

10

4

13,1

0,00006650

0,00006053

8

4

9,5

0,00008900

0,00008347

Зеленый фильтр

=5500 А0.


Номер разрешающегося поля

Номер миры

D,мм

эксп

теор

17

3

46,7

0,00002100

0,00001437

16

3

37,5

0,00002375

0,00001789

12

3

26,7

0,00002500

0,00002513

10

3

19,1

0,00003325

0,00003513

12

4

13,1

0,00005250

0,00005122

8

4

9,5

0,00007450

0,00007063

Фиолетовый фильтр

=4200 А0.


Номер разрешающегося поля

Номер миры

D,мм

эксп

теор

16

3

46,7

0,00001975

0,00001097

15

3

37,5

0,00002100

0,00001366

14

3

26,7

0,00002500

0,00001919

8

3

19,1

0,00003325

0,00002683

11

4

13,1

0,00005000

0,00003911

7

4

9,5

0,00006650

0,00005394

Расчетные формулы:

теор=1,22* ,

эксп= ,

где i- расстояние между штрихами миры,

F- фокусное расстояние объектива коллиматора,

F=160 см =1,6 м.
Пример расчета:

Красный фильтр, =6500 А0=650 нм = 6,5*10-7м,

№ разрешающегося поля – 15, № лиры 3

i, =8,7мкм = 4*8,7*10-6м

D=46,7мм = 46,7*10-3м,

эксп= ,

теор=1,22*
Построим графики функций эксп= f(D) и теор= f(D).


Вывод: Проведя опыты с экспериментальной установкой, мы определили разрешающую способность заданного объектива для трех длин волн. Судя по результатам можно говорить о хорошей точности вычислений.

Разрешающая способность оптических приборов

| на главную | доп. материалы | физика как наука и предмет | оптика, квантовая природа излучения |

Организационные, контрольно-распорядительные и инженерно-технические услуги
в сфере жилой, коммерческой и иной недвижимости. Московский регион. Официально.

Используя даже идеальную оптическую систему (такую, для которой отсутствуют дефекты и аберрации), невозможно получить стигматическое изображение точечного источника, что объясняется волновой природой света. Изображение любой светящейся точки в монохроматическом свете представляет собой дифракционную картину, т. е. точечный источник отображается в виде центрального светлого пятна, окруженного чередующимися темными и светлыми кольцами.

Согласно критерию Рэлея, изображения двух близлежащих одинаковых точечных источников или двух близлежащих спектральных линий с равными интенсивностями и одинаковыми симметричными контурами разрешимы (разделены для восприятия), если центральный максимум дифракционной картины от одного источника (линии) совпадает с первым минимумом дифракционной картины от другого (рис. 265, а). При выполнении критерия Рэлея интенсивность «провала» между максимумами составляет 80% интенсивности в максимуме, что является достаточным для разрешения линий l1 и l2. Если критерий Рэлея нарушен, то наблюдается одна линия (рис. 265, б).

1. Разрешающая способность объектива. Если на объектив падает свет от двух удаленных точечных источников S1 и S2 (например, звезд) с некоторым угловым расстоянием dy, то вследствие дифракции световых волн на краях диафрагмы, ограни­чивающей объектив, в его фокальной плоскости вместо двух точек наблюдаются максимумы, окруженные чередующимися темными и светлыми кольцами (рис. 266). Можно доказать, что две близлежащие звезды, наблюдаемые в объективе в монохроматическом свете, разрешимы, если угловое расстояние между ними

                                                 (183.1)

где l — длина волны света, D — диаметр объектива.

Разрешающей способностью (разрешающей силой) объектива называется величина

где dy — наименьшее угловое расстояние между двумя точками, при котором они еще оптическим прибором разрешаются.

Согласно критерию Рэлея, изображения двух одинаковых точек разрешимы, когда центральный максимум дифракционной картины для одной точки совпадает с первым минимумом дифракционной картины для другой (рис. 266). Из рисунка следует, что при выполнении критерия Рэлея угловое расстояние dy между точками должно быть равно j, т. е. с учетом (183.1)

Следовательно, разрешающая способность объектива

                                                  (183.2)

т. е. зависит от его диаметра и длины волны света.

Из формулы (183.2) видно, что для увеличения разрешающей способности оптичес­ких приборов нужно либо увеличить диаметр объектива, либо уменьшить длину волны. Поэтому для наблюдения более мелких деталей предмета используют ультрафиолето­вое излучение, а полученное изображение в данном случае наблюдается с помощью флуоресцирующего экрана либо фиксируется на фотопластинке. Еще большую разрешающую способность можно было бы получить с помощью рентгеновского излучения, но оно обладает большой проникающей способностью и проходит через вещество не преломляясь; следовательно, в данном случае невозможно создать преломляющие линзы. Потоки электронов (при определенных энергиях) обладают примерно такой же длиной волны, как и рентгеновское излучение. Поэтому электронный микроскоп имеет очень высокую разрешающую способность.

Разрешающей способностью спектрального прибора называют безразмерную ве­личину

                                                    (183.3)

где dl — абсолютное значение минимальной разности длин волн двух соседних спект­ральных линий, при которой эти линии регистрируются раздельно.

2. Разрешающая способность дифракционной решетки. Пусть максимум т-го поряд­ка для длины волны l2 наблюдается под углом j, т. е., согласно (180.3), dsinj=ml2. При переходе от максимума к соседнему минимуму разность хода меняется на l/N (см. (180.4)), где N — число щелей решетки. Следовательно, минимум l1, наблюдаемый под углом jmin, удовлетворяет условию dsinjmin=ml1+l1/N. По критерию Рэлея, j =jmin, т. е. ml2=ml1+l1/N или l2/(l2l1)=mN. Tax как l1 и l2 близки между собой, т. е. l2–l1=dl то, согласно (183.3),

Таким образом, разрешающая способность дифракционной решетки пропорциональна порядку m спектра и числу N щелей, т. е. при заданном числе щелей увеличивается при переходе к большим значениям порядка m интерференции. Современные дифракционные решетки обладают довольно высокой разрешающей способностью (до 2×105).


Определение реальной разрешающей способности | СЕКЬЮРИТИ ЦЕНТР C&T

Проектируя охранную телевизионную систему, обычно принимают в расчет заявленную в паспорте разрешающую способность телевизионной камеры. Исходя из этого, определяют зоны наблюдения и места установки телевизионных камер, вычисляют углы поля зрения и выбирают объективы. Затем закупают мультиплексоры, видеомагнитофоны и другие устройства. Монтажники прокладывают кабели, устанавливают телекамеры и аппаратуру, и, наконец, система включается. С первого взгляда все работает нормально, на мониторах видны изображения помещений и территорий объекта. Но при первом же инциденте выясняется, что лицо нарушителя невозможно различить. Не виден номер въезжающего автомобиля, а иногда невозможно даже различить его марку. В темное время суток дела обстоят еще хуже: изображения деталей размыты, движущиеся объекты смазаны. В результате, телевизионная система вместо полноценного наблюдения предоставляет службе охраны функции, близкие к возможностям обычных охранных датчиков. Происходит это из-за того, что при проектировании системы не учитываются реальная разрешающая способность телевизионных камер и ее зависимость от освещенности, глубина резкости, а также потери разрешающей способности в кабельной сети, мультиплексорах, видеомагнитофонах и других устройствах. В статье рассматриваются факторы, влияющие на разрешающую способность телевизионной камеры, работающей в составе охранной телевизионной системы.

Разрешающая способность телевизионной камеры и число элементов фотоприемника

Параметр «разрешающая способность» пришел в телевидение из оптики. Первоначально, за предел разрешающей способности, согласно критерию Рэлея, понималось расстояние между двумя точками, при котором центр одного пятна совпадает с серединой первого темного дифракционного кольца второго пятна (рис. 1)

                                                                     

 

Рис. 1 Разрешающая способность оптической системы
E max, E min — освещенности светлого и темного дифракционных колец соответственно, D — диаметр входного зрачка, f’ — заднее фокусное расстояние, δ — линейный предел разрешения, λ — длина волны света.

 

При этом относительная разность освещенностей в двух рядом расположенных точках (глубина модуляции сигнала на частоте максимального разрешения) примерно равна 26% от максимальной освещенности [ 1 ]. С появлением дискретных фотоприемников (матрицы ПЗС) понятие оптической разрешающей способности стало неточным из-за появления эффекта наложения пространственных частот штрихов миры и фоточувствительных элементов матрицы. Тем не менее, параметр разрешающая способность используется в рекламных проспектах на телевизионные камеры.

Нужно отметить, что разрешающая способность дискретного фотоприемника зависит от положения штрихов испытательной миры относительно сетки элементов фоточувствительной матрицы.

 

а)

b)

 

Рис. 2 Иллюстрация изменения максимальной разрешающей способности дискретного фотоприемника при сдвиге его относительно изображения миры на 1/2 размера элемента
а) центры штрихов совпадают с центрами элементов изображения, b) центры штрихов сдвинуты на половину размера элемента

 

Видно (рис. 2), что в случае, когда число штрихов миры равно числу элементов фотоприемника по измеряемой координате, может быть два крайних значения разрешающей способности. Если штрихи миры попадут точно по центру элементов матрицы ПЗС, то разрешение на выходе камеры будет максимальным, и на видеомониторе будет видно тонкую решетку. Если сместить миру на половину штриха, то максимумы и минимумы изображения штрихов попадут посередине между элементами ПЗС и в каждом элементе будет половинный сигнал (средний между черным и белым) и на экране монитора будет только ровный серый фон. При числе штрихов горизонтальной миры меньше или больше числа элементов матрицы, также будет наблюдаться ровный серый фон при смещении положения миры, но уже не на всем изображении, а в виде отдельных вертикальных столбиков (муаров). При уменьшении числа штрихов миры, видимость муаров будет уменьшаться, однако, даже при половинном их числе относительно числа элементов ПЗС они будут еще достаточно хорошо видны. 

Для того, чтобы согласовать параметр разрешающая способность с числом элементов матрицы ПЗС по данной координате было предложено для определения разрешающей способности умножать число элементов на коэффициент 0,75. В настоящее время в охранных телевизионных камерах наиболее распространены матрицы ПЗС двух типов: стандартного и высокого разрешения, с числом элементов по строке 500 и 750 соответственно (В настоящее время в новейших телевизионных камерах для охранных систем начинают использовать «мегапиксельные» матрицы ПЗС, аналогичные матрицам цифровых фотоаппаратов. Разрешающая способность таких камер с числом элементов по строке около 1600 превышает 1000 телевизионных линий). Умножая на 0,75, мы получим примерно 380 и 560 телевизионных линий для телекамер стандартного и высокого разрешения. Первое время производители телекамер указывали в паспортах именно эти значения. К сожалению, некоторые фирмы в рекламных целях пытаются увеличить общепринятый коэффициент и указывают разрешающие способности для своих камер 420 и 600 линий, хотя в них используются такие же матрицы ПЗС с числом элементов 500 и 750 соответственно.

 

Недокументированный параметр телекамер — глубина модуляции сигнала на частоте максимального разрешения

Сравнивая между собой камеры, выполненные на одних и тех же матрицах ПЗС можно видеть, что, несмотря на заявленные одинаковые разрешающие способности, четкость формируемых ими изображений различна. Некоторые камеры, даже выполненные на матрицах высокого разрешения, имеют нечеткое, «мутное» изображение, другие камеры, наоборот, приятно удивляют филигранной прорисовкой мелких деталей. Тем не менее, формально, разрешающая способность камеры, формирующей нечеткое изображение, соответствует значению, указанному в паспорте. Если внимательно вглядеться в изображение вертикального клина тест-таблицы, формируемого этой камерой, то с трудом, но все-таки, можно увидеть, заявленные в паспорте 560 линий. В «четких» же камерах эти линии видны без труда, они хорошо «прорисовываются» и имеют высокий контраст. Почему такая разница четкости в камерах на одних и тех же матрицах ПЗС?

 

Рис. 3 Частотно-контрастная характеристика телевизионной камеры высокого разрешения при выключенном корректоре четкости

Если в телевизионной камере не принять мер к коррекции частотно-контрастной характеристики объектива, то в результате формируемое изображение будет нечетким, что нередко можно наблюдать в дешевых камерах восточной сборки. В камерах более высокого класса устанавливают специальные корректоры четкости, компенсирующие потери в объективе. Корректоры бывают разные. В простом случае (например, камера WAT-902H фирмы WATEC) устанавливают асимметричный корректор, подчеркивающий первую производную сигнала. Лучшие результаты дают симметричные адаптивные корректоры четкости, учитывающие вторую производную сигнала, степень коррекции которых зависит от освещенности изображения (камера VNC-742 фирмы ЭВС). Для оценки реальной четкости изображения используется параметр «глубина модуляции сигнала на частоте максимального разрешения», равный отношению размахов сигналов от мир с числом штрихов, равным максимальному разрешению и с минимальным числом штрихов (крупная деталь изображения). Видно (рис 4), что амплитуда сигнала на частоте 550 линий в камере с симметричным корректором четкости заметно превосходит эти значения в камерах с корректором по первой производной и, тем более, в камере без корректора четкости.

 

 

 Рис. 4 Изображения (вверху) и осциллограммы строки 550 телевизионных линий (внизу) вертикального клина, полученные с помощью трех различных телевизионных камер высокого разрешения, при установленных в них одинаковых объективах TO412FICS при значении диафрагмы F 8,0.
а) — телевизионная камера без корректора четкости CV-300, б) — телевизионная камера с несимметричным корректором четкости WAT-902H, в) — телевизионная камера с адаптивным, симметричным корректором четкости VNC-742

 

К сожалению, параметр глубина модуляции (в некоторых источниках называемый «амплитуда частотно-контрастной характеристики на частоте максимального разрешения») не приводится в рекламных проспектах и паспортах на телевизионные камеры. Поэтому, реальную разрешающую способность телевизионной камеры можно оценить, только наблюдая формируемое камерой изображение в процессе ее испытания.

 

Потери разрешающей способности и глубины резкости в объективах с автоматической диафрагмой.

Для расширения диапазона рабочих освещенностей телевизионных камер в них устанавливают объективы с автоматической регулировкой диафрагмы (АРД). При использовании таких объективов можно получить диапазон рабочих освещенностей от 0,01 люкс до 100000 люкс и даже шире, то есть, обеспечить работу камеры и днем и ночью. Особенно популярны в настоящее время так называемые «асферические» объективы с минимальным относительным отверстием достигающим 0,75. Однако, с точки зрения разрешающей способности, при использовании АРД объективов возникает ряд неприятных моментов:

  1. Глубина модуляции сигнала на высоких пространственных частотах в АРД объективах зависит от значения диафрагмы и при полностью открытой диафрагме может уменьшаться в 10 и более раз.
  2. Глубина резкости (диапазон расстояний, в пределах которых обеспечивается заданная четкость изображения) еще в большей степени зависит от величины диафрагмы и при полностью открытой диафрагме минимальна.
  3. Светорассеяние в объективе также зависит от значения диафрагмы и становится максимальным при полностью открытой диафрагме.

Следовательно, разрешающая способность и контраст изображения телекамеры с АРД объективом значительно ухудшаются в вечернее, и особенно ночное время, когда диафрагма объектива полностью открыта (рис. 5).

 

Рис. 5 Зависимость глубины модуляции сигнала (амплитуды частотно-контрастной характеристики) на горизонтальной мире 550 ТВЛ от относительного отверстия объектива (значения диафрагмы) в телевизионной камере высокого разрешения при установленном объективе TO412FICS фирмы Computar. Значение при F 0,8 получено при установленном асферическом объективе HG0608AFCS-HSP этой же фирмы. — а) Изображения центральной части тест-таблицы, формируемые телевизионной камерой высокого разрешения при установленном объективе с относительными отверстиями F 0,8 — б), F 2,0 — в) и F 8,0 — г).

Фокусировать камеры с АРД объективами нужно обязательно в темное время суток, когда диафрагма объектива полностью открыта (глубина резкости минимальна), и включено соответствующее искусственное освещение.

В камерах с АРД объективами обязательно нужно отключать встроенную систему электронного затвора, иначе диафрагма объектива будет полностью открыта не только ночью, но и днем с вытекающими из этого потерями разрешающей способности и глубины резкости.

 

 

а) б)

Рис. 6 Иллюстрация уменьшения разрешающей способности при наблюдении телекамерой текста с различными величинами шрифта при отношении сигнал/шум 40 дБ — а) и при отношении сигнал/шум 20 дБ — б).

 

Потери разрешающей способности в кабельной сети.
Потери разрешающей способности в мультиплексорах, видеомагнитофонах, платах ввода изображения в компьютер и видеомониторах.

Таблица 1 Разрешающая способность современных мультиплексоров

Фирма изготовитель Тип мультиплексора Число выборок АЦП в строке Разрешающая способность на магнитофонном выходе (ТВЛ) Режекторный фильтр (в диапазоне 350 — 450 ТВЛ) Способ записи сигнала
BAXALL ZMXS/16MD 720 500 Не отключается Полями
ROBOT MV16i 640 320 Не отключается Полями
Dedicated Micros Sprite DX16 1024 530 Выключен Полями
GYYR DSP16x 750 550 отключается Полями
HITRON HBX16C 640 320 Не отключается Полями
KALATEL CALIBUR CBR16MDx 750 550 отключается Полями
ATV (Цветной) DPX16 720 540 Не отключается Кадрами

Все приведенные выше замечания справедливы не только для мультиплексоров, но и для систем цифровой записи изображений (платы ввода телевизионного сигнала в компьютер, системы типа: Digieye, VidGuard и т.п.). При использовании алгоритмов компрессированной записи видеосигнала ( JPEG, Wavelet, MPEG-2, MPEG-4 ) в этих устройствах происходит дополнительная, необратимая потеря не только разрешающей способности, но и ряда малоконтрастных, мелких объектов, которые игнорируются при кодировании изображения, особенно при больших коэффициентах сжатия.

 

Выводы

  • Разрешающую способность телевизионных ПЗС камер принято определять числом элементов фотоприемника по соответствующим координатам, умноженным на коэффициент 0,75.
  • Реальная разрешающая способность камеры в телевизионной системе меньше расчетной по следующим причинам:

    1. Из-за потери разрешающей способности в объективах. Особенно заметна потеря четкости в «асферических» АРД объективах при полностью открытой диафрагме, когда глубина модуляции сигнала на частоте разрешения и глубина резкости уменьшаются в 10 и более раз. Максимальные потери возникают на краях изображения. Потери четкости возникают также из-за дрожания воздушных потоков перед камерой и от естественного загрязнения стекол объективов.

    2. Из-за маскирующего влияния шума в темное время суток, а также из-за изменение фокусировки объектива при использовании искусственного освещения со спектральной характеристикой, отличающейся от естественного.

    3. Из-за завала высоких частот видеосигнала в соединительных кабелях.

    4. Из-за потери разрешающей способности в других блоках телевизионной системы, в первую очередь в мультиплексорах, видеомагнитофонах и цифровых видеорегистраторах.

    5. Из-за потери разрешающей способности в малогабаритных видеомониторах, обусловленной конечными размерами зерен люминофора кинескопов.

  • Суммарное ухудшение разрешающей способности телевизионных камер в охранных телевизионных системах может уменьшаться по сравнению с расчетным до 2-х раз днем до 3 — 5 раз и более, ночью.
  • При построении охранных систем необходимо учитывать возможные потери разрешающей способности телевизионных камер и принимать дополнительные меры по усилению охраны объекта. Способ повышения надежности системы состоит в установке дополнительных телевизионных камер и охранных датчиков в наиболее сложных местах наблюдения, а также в обеспечении более интенсивного, а, главное, более равномерно распределенного искусственного освещения в ночное время.

 

Список литературы.

  1. Оптические головки передающих телевизионных камер цветного телевидения: Справочник/ Н.И. Валов, О.Н. Василевский, А.Н. Великожон и др. под общ. Ред. О.Н. Василевского. — Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1988 — 109 с,, ил.
  2. Космическое телевидение. Изд. второе, дополненное, М., «Связь», 1973.

А. Куликов  

Подготовлено по материалам Интернет-портала по безопасности http://www.sec.ru/

Аренда линз | Блог

ВНИМАНИЕ!

Давайте будем предельно ясны; это не практическая или полезная статья. Это не поможет вашей фотографии или кинематографии стать лучше. Это не поможет вам выбрать оборудование в ближайшие пару лет. Это не даст никакого корма для вашей следующей Форумной Войны. Это просто статья для гиков, которая может кого-то заинтересовать. Это может дать небольшой взгляд на то, что может произойти в будущем, и некоторое представление о том, какую работу мы на самом деле делаем за кулисами в Olaf.Так что, если вас интересуют такие вещи, читайте .

Пару лет назад клиент, проводивший тестирование, попросил нас выяснить, какие объективы могут получить максимальное разрешение от 150-мегапиксельного сенсора. Многие предполагали, что объективы с самым высоким разрешением при стандартном разрешении будут объективами с самым высоким разрешением при более высоком разрешении. Предположения — это темная материя Интернета; мы не можем их видеть, но мы знаем , что они составляют большую часть массы.

Мы очень стараемся не предполагать, поэтому протестировали кучу объективов на высоких частотах на стенде MTF (высокочастотная MTF — это, по сути, высокое разрешение на камере).Это требует тестирования MTF в сверхвысоких разрешениях, намного выше, чем у любой современной камеры. Производитель хотел 240 лп/мм (по сравнению с 50 лп/мм, которые мы используем сейчас). Я не был уверен, что это необходимо, и на самом деле не был уверен, что мы сможем это сделать, поэтому мы остановились на 200 л/мм. Если вы хотите понять, что все это значит, вы можете прочитать вышеприведенный пост или отличный пост Брэндона Дьюба. Или вы можете просто принять это и двигаться дальше.

Не было фото- или видеообъектива, который мог бы разрешать 200 пар линий/мм на широко открытой диафрагме.(Нашим стандартом для «решимости» была MTF 0f 0,3; MTF 0,2 была пограничной. Есть некоторые доказательства, подтверждающие эти отсечки, но кто-то может их оспорить. Подождите, это Интернет. Кто-то БУДЕТ их оспаривать; ради кого-то живет.)

Мы нашли несколько объективов с фиксированным фокусным расстоянием, которые соответствовали бы этим критериям, с диафрагмой f/4 в центре изображения, но ни один из них не подходил ближе к краям. Наилучшие результаты были у объектива Zeiss Otus 85mm f/1.4 при f/4. Несколько других объективов (Zeiss 135mm f/2 APO-Sonnar; Sigma 135mm f/1.8 DG HSM Art; Zeiss 55mm f1.4 Otus) были приемлемы при f/4 в средней части изображения. Ничто шире 50 мм не было приемлемым, хотя Canon 35mm f1.4 Mk II и Sigma 35mm f/1.4 Art были близки.

Назад в будущее

Два года спустя этот клиент спросил нас, знаем ли мы какие-либо другие объективы, которые им следует рассмотреть. С тех пор, как мы провели эти тесты, было выпущено много объективов, и некоторые из этих объективов соответствуют критериям возможного «сверхвысокого» разрешения; объективы с фокусным расстоянием 85 мм и более.Производители, очевидно, делают эти объективы, по крайней мере, для камер с более высоким разрешением. Так что, возможно, некоторые из новых объективов будут разрешать «сверхвысокие» частоты лучше, чем некоторые из протестированных нами старых объективов.

Итак, мы проверили несколько новых объективов вплоть до светосилы 240 л/мм, чего достаточно, чтобы сделать 200-мегапиксельную камеру FF достойной. Чтобы было ясно, это НЕ выйдет на камеру рядом с вами в ближайшее время; это исследовательский проект. Но если исследователи создают такой датчик, то логично, что они хотят знать, какие линзы дадут наилучшие результаты от датчика.Это не тест на то, разрешает ли друг друга линза или датчик, потому что этого не происходит. (Для тех из вас, кто верит в перцептивные мегапиксели или в то, что Земля плоская, я включил приложение, чтобы немного пояснить это — без математики, более сложной, чем умножение.)

.

Лучшее, что мы нашли в прошлый раз

В прошлый раз мы обнаружили некоторые тенденции: более длинные фокусные расстояния работают лучше, а f/4 – это минимальная диафрагма, при которой любой объектив может разрешать такие высокие частоты. Для справки, вот несколько объективов, которые в прошлый раз соответствовали нашим критериям (обратите внимание, что для них мы установили максимальную частоту 200 лп/мм).

Sigma 135mm f/1.8 DG HSM Art при f/4

Lensrentals.com, 2017

Zeiss 85 мм APO-Planar Otus с диафрагмой f/4

Lensrentals.com, 2017

Zeiss 55 мм Otus Distagon с диафрагмой f/4

Lensrentals.com, 2017

Canon EF 35 мм f/1,4 Mk II USM

Lensrentals.com, 2017

Объектив 35 мм, имя которого нельзя произнести

Вы видели наилучшие результаты, которые мы получили от линз, которые вы действительно могли купить и использовать.Мы видели один объектив, который вы не можете купить, прототип объектива, который, вероятно, никогда не будет сделан, и он был действительно потрясающим, особенно для фокусного расстояния 35 мм.

Оптические испытания Олафа, 2017 г.

Итак, вот 35-мм объектив, который так же хорош, как 55-метровый Otus; дело в том, что он хорош на f/2.8 и не сильно улучшается на f/4. Я поместил это просто для того, чтобы показать, что современные объективы не предназначены для того, чтобы делать все возможное при сверхвысоком разрешении, но они могут быть такими.

 Мы хотим подняться выше

В прошлый раз мы установили максимальную скорость 200 л/мм, хотя клиент действительно хотел 240 л/мм.Мы не думали, что более высокое число действительно необходимо, и, честно говоря, мы не были уверены, что какой-либо из наших объективов будет адекватно разрешать даже 200 пар линий/мм. На этот раз, однако, мы чувствовали себя комфортно, мы могли протестировать на 240 л/с, и при этом давайте также протестируем на 192 л/мм, что довольно близко к исходному пику в 200 л/с.

Для начала мы повторили тест с объективом Sigma 135mm f1.8 Art. Вы можете сравнить это с тем, что было сделано на 200 lp выше. Помните, что это тесты в единственном экземпляре, поэтому есть небольшая вариация образца, но вы можете видеть, что светло-голубая линия этого цикла (192 пар линий/мм) сравнима с фиолетовой линией предыдущего объектива (200 пар линий/мм).Даже при 240 л/мм MTF по-прежнему превышает наше «пограничное» отсечное значение MTF 0,2, по крайней мере, в центре, но не совсем достигает MTF 0,3.

Lensrentals.com, 2019

Мы будем считать это нашим стандартом для новых тестов и посмотрим, подойдут ли другие объективы.

результатов для новых объективов

Sony 135 мм f1.8 GM

Начнем с обычной части «У Роджера были ожидания и он был разочарован», потому что, в конце концов, разочарование — единственная цель ожиданий.Одна из причин, по которой я был в восторге от тестирования новых объективов, заключалась в том, что Sony 135mm f/1.8 GM показала лучшие показатели MTF в нормальном диапазоне, которые мы когда-либо видели, превзойдя Sigma 135mm f/1.8 Art. Казалось логичным, что он также может превзойти Sigma в тестах сверхвысокого разрешения. Реальность 1, логика 0. Мы попробовали объектив при f/4, но на самом деле он был немного лучше при f/5, что мы и показываем ниже. На высоких частотах он не так хорош, как у Сигмы.

Lensrentals.com, 2019

Позвольте мне повторить, для тех из вас, кто хочет ошибочно принять этот тест за какое-то отношение, скажем, к 60-мегапиксельной полнокадровой камере, которую вы снимаете; это не так.Где-то около 80 л/мм было бы более чем достаточно для этого. Если вы сравните оранжевые линии графиков Sony и Sigma 135 мм, вы увидите, что при 96 л/мм Sony на самом деле немного лучше, чем Sigma. На смехотворно высоких частотах Сигма лучше. Вывод важен: на лучше MTF на одной частоте не означает, что лучше MTF на всех частотах.

Итак, давайте посмотрим на пару других кандидатов, которые, по моему мнению, могли бы подойти очень хорошо.

Сигма 105мм f1.4 Арт на f/4

Хоть этот экземпляр и был слегка наклонен, по центру, по крайней мере, это первый объектив, который хоть и с трудом выдерживает нашу «приемлемую» отсечку MTF 0.3 при 240 лп/мм. При 192 л/мм он практически достигает MTF 0,4. Итак, у нас есть новый чемпион по высокому разрешению, и это несмотря на то, что, как вы можете видеть ниже, эта копия объектива имеет небольшой наклон.

Lensrentals.com, 2019

Zeiss APO Sonnar 100mm f/1.4 Otus при f/4

Еще один хороший претендент; не так хорош, как Sigma 105 мм, но очень похож на Sigma 135 мм.

Lensrentals.com, 2019

Canon 90mm f2.8L TS-E Macro

На этот я не надеялся, но у нас был один под рукой, поэтому мы решили попробовать. Понизьте свои ожидания, и они оправдаются. Опять же, не поймите меня неправильно, это действительно очень хороший объектив, просто он не так хорош в сверхвысоких разрешениях.

Lensrentals.com, 2019

Sigma 40 мм f1.4 Арт.

Из предыдущих тестов мы узнали, что широкоугольные объективы не так хорошо работают на этих частотах.Но Sigma 40mm Art показал такие впечатляющие результаты в обычном MTF, что мы подумали, что, по крайней мере, стоит попробовать.

Lensrentals.com, 2019

Вот случай, когда хорошее разрешение в нормальном разрешении превращается в хорошее в смехотворно высоком разрешении. Это близко, хотя и не так высоко в центре, как у Otus 55 мм. Однако он остается приемлемым дальше от центра, чем Otus 55 мм.

Резюме:

Я говорю резюме, потому что здесь нет практических или полезных выводов.Единственное, что, наверное, интересно, так это то, что только действительно хорошие объективы могут разрешать сверхвысокие разрешения, которые вам никогда не понадобятся. Однако даже среди этих действительно хороших объективов вы не можете предположить, как объектив будет работать при сверхвысоких разрешениях, основываясь на его результатах при обычном разрешении. Вы также можете видеть, что производительность со сверхвысоким разрешением немного легче получить при коротком фокусном расстоянии телеобъектива, чем при стандартном или широкоугольном.

О, да, и вы также можете задаться вопросом, почему кто-то где-то задается вопросом, какие объективы будут хорошо работать с разрешением, более чем в два раза превышающим то, что вам может понадобиться сегодня.

 

Роджер Чикала, Аарон Клош и Брэндон Дубе

Lensrentals.com

Октябрь, 2019

Приложение. Почему перцептивные мегапиксели — это глупо

Меня несколько раз в неделю спрашивают, способен ли тот или иной объектив «разрешить» такое количество мегапикселей. Некоторые считают, что объектив должен быть «сертифицирован» для определенного количества пикселей или чего-то подобного. Это не так. Ничто из этого не работает.

Вот как это работает.Любое изображение, которое вы снимаете, не такое четкое, как реальность. Сделайте снимок куста и увеличьте его до 100%. Вы, наверное, не видите, есть ли муравьи на листьях. Но на самом деле вы можете подойти к кусту (увеличить его, если хотите) и посмотреть, есть ли муравьи, взглянув на пару листьев.

Что, если бы у меня была лучшая камера и лучший объектив? Ну, теоретически, все было бы так хорошо, что я смог бы увидеть муравьев, если бы достаточно увеличил изображение. MTF — это своего рода измерение того, насколько резким будет это изображение и сколько деталей оно содержит.(Подробной частью будет MTF с более высокой частотой.) Это, конечно, будет MTF всей системы, камеры и объектива.

Многие люди думают, что это будет «в зависимости от того, что меньше из камеры и объектива». Например, моя камера может разрешать 61 мегапиксель, но мой объектив может разрешать только 30 мегапикселей, поэтому все, что я могу видеть, это 30 мегапикселей.

Это не так. Как это работает, очень простая математика: MTF системы = MTF камеры x MTF объектива. Максимальное значение MTF равно 1,0, потому что 1,0 идеально.Предположим, что MTF моей камеры составляет 0,7, MTF моего объектива — 0,7, тогда MTF моей системы составляет 0,49 (MTF объектива x MTF камеры). На самом деле это вполне разумная система.

Теперь предположим, что у меня есть гораздо лучшая камера с гораздо более высоким разрешением; MTF камеры составляет 0,9. Системная ЧКХ с тем же объективом также увеличивается: 0,7 X 0,9 = 0,63. С другой стороны, я мог бы сделать то же самое, если бы купил гораздо лучший объектив и оставил его на той же камере. Камера практически никогда не «превышает разрешающую способность объектива».

Вы могли бы получить этот «перцепционный мегапиксель», если объектив (или камера) действительно отстой.Допустим, мы использовали дрянной комплектный зум-объектив с MTF 0,3. Со старой камерой; 0,3 х 0,7 = 0,21. Давайте потратим целое состояние на более новую и лучшую камеру, и мы получим 0,3 х 0,9 = 0,27. Таким образом, наша общая система MTF увеличилась лишь немного (0,07), потому что объектив действительно отстой. Но если бы это был обычный объектив или объектив получше (скажем, MTF был бы 0,6 или 0,8), мы бы получили примерно такое же улучшение.

Если у вас достаточно хороший объектив и/или достаточно хорошая камера, обновление любого из них улучшит ваши изображения.Если вы спросите что-то вроде «Моя камера будет давать разрешение больше, чем у этого объектива», вы прозвучите глупо.

Правило Роджера: если у вас дрянной объектив или дрянная камера, сначала улучшите дрянную часть; вы получаете больше удара за ваши $. Я только что видел ветку для кого-то, кто хочет перейти на новейшую 60-мегапиксельную камеру, и все его объективы были со средним зумом. Меня тошнило.

Автор: Роджер Чикала

Меня зовут Роджер, я основатель Lensrentals.com. Провозглашенный здесь одним из оптических ботаников, я люблю снимать коллимированный свет через 30-кратные объективы микроскопа в свободное время.Когда я делаю настоящие снимки, мне нравится использовать что-то другое: средний формат, Pentax K1 или Sony RX1R.

Датчики превосходят линзы по разрешению?

Рубен Осуна и Эфраин Гарсия

Мы везде читаем, что новые датчики высокого разрешения оказывают давление на объективы. Эти комментарии возникают каждый раз, когда появляется новый датчик с большим количеством пикселей. Это произошло с 22 миллионами пикселей Canon 1Ds Mark III, и это произойдет снова, когда 25-мегапиксельный сенсор Sony оживет в новой камере.Верны ли такие комментарии? Краткого ответа на вопрос нет, 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 не помешает немного терминологической точности. Утонченность деталей на фотографии — это разрешение .Эта разрешенная деталь имеет определенную степень видимости в зависимости от контраста . Разрешение и контраст определяют четкость изображения . С другой стороны, резкость определяется определением края в разрешенной детали, и она определяется контрастом края. Разрешающая способность — это объективная мера разрешения (в разрешенных парах линий или циклов на миллиметр), а резкость — это мера резкости (рассчитывается путем отслеживания кривой градиента).Разрешающая способность и резкость не являются хорошими показателями качества изображения, если рассматривать их по отдельности.

Передаточные функции модуляции (MTF) представляют собой гораздо более сложную объективную меру качества изображения и сочетают в себе разрешение и контрастность. Передаточные функции модуляции представляют собой математические выражения сигнала, передаваемого линзой. Эти функции были впервые использованы в электротехнике, а основная терминология позже 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 уровнем и максимальным уровнем сигнала. В фотографических сигналах (пространственная) частота равна , разрешение , а амплитуда , контрастность . Чем больше пар линий (одна черная, одна белая) в пространственной единице, тем выше частота сигнала или разрешение.Мы можем думать о контрасте как о разнице яркости между соседними областями.

Разрешение объектива ограничено дифракцией , при закрытии диафрагмы, и аберрациями , которые усиливаются с фокусным расстоянием и открытием диафрагмы.

Свет подобен потоку, и закрытие лепестков диафрагмы создает эффект рассеивания, аналогичный эффекту воды, разбрызгиваемой из трубы через узкое отверстие под большим давлением.Это дифракция , и она оказывает ухудшающее влияние на разрешение и контрастность, и ее нельзя избежать. Светлые пятна, проецируемые линзой на фокальную плоскость, имеют особую форму: яркое центральное пятно (диск Эйри), окруженное концентрическими кольцами, попеременно темными и светлыми (паттерн Эйри). Диск Эйри ярче в центре, а интенсивность света уменьшается по мере приближения к краям (см. рис. 1) . Чем шире апертура, тем меньше диски Эйри.

 

Рисунок 1 . Трехмерное представление узора Эйри, где высота соответствует интенсивности света.

Аберрации также оказывают негативное влияние на разрешение и контраст, но разработчики объективов стараются его уменьшить. От их успеха зависит, насколько сохраняется разрешение и контрастность при открытой диафрагме, потому что с увеличением диафрагмы растут некоторые аберрации (сферическая, кома, осевая хроматическая, астигматизм, кривизна поля), которые в светосильных объективах очень трудно контролировать.Каждая аберрация характерным образом искажает узоры и формы дисков Эйри (см. моделирование Натали Гакопулос).

Когда мы видим черный человеческий волос, мы видим его напротив более яркой области. Чем сильнее разница в яркости, тем четче будут восприниматься волосы. Объективы не могут сохранить все детали на полном контрасте (как в объекте). Пропускаемый контраст — это степень, в которой черные линии остаются черными, а белые — 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, а линзы могут передавать только грубые детали на максимальном уровне «верности». Чем мельче детали, тем больше потери контраста из-за аберраций и дифракции. Ниже некоторого минимального уровня контрастности мелкие детали вообще неразличимы.

Существует два широко распространенных способа представления передаточных функций модуляции , и оба являются информативными. Первый заключается в построении контраста по вертикальной оси (в процентах) и разрешения по горизонтальной оси (в парах линий на миллиметр, лп/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 представление MTF двух гипотетических линз и сенсора 100 пар линий/мм (5 микрон).
Длина волны света 0,000555 мм.

Второй способ представления MTF, о котором обычно сообщают производители объективов, заключается в отображении контраста по вертикальной оси (в процентах) и расстояния от центра кадра (в миллиметрах) по горизонтальной оси.В этом случае мы строим кривую для набора выбранных уровней разрешения (обычно 5, 10, 20, 30 и 40 лп/мм) при заданной апертуре объектива. См. пример Рисунок 3 . Это графическое представление функций MTF, представленное Canon. Они выбирают разрешение 10 лп/мм и 30 лп/мм и представляют кривые для полной диафрагмы и f/8. Другие бренды могут печатать кривые для разных наборов чисел разрешения и значений диафрагмы, но график во всех случаях одинаков.

Почему выбраны именно эти значения разрешения? Компания Carl Zeiss эмпирическим путем изучила, какое количество деталей имеет значение для субъективного восприятия качества фотографии. Они пришли к выводу, что разрешенная детализация на негативе за пределами 40 пар линий/мм при минимальной контрастности 25% в формате 35 мм не оказывает существенного влияния на воспринимаемое качество изображения на отпечатках небольшого размера (A4 или даже больше). Это согласуется со значениями визуальной «разборчивости», связанными с разрешением, необходимым на фотографии для достаточно правильного воспроизведения букв и слов.Значения в диапазоне 8-6 лин/мм на 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 пар линий/мм, как объясняет Боб Аткинс.

Уровень контрастности , обеспечиваемый системой для соответствующего диапазона деталей, является ключевой переменной в определении субъективного восприятия качества изображения. С другой стороны, область под кривыми MTF и слева от вертикальной красной линии на Рис.

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

MTF предлагают больше информации, чем вы можете себе представить. Например, около боке , воспроизведение объективом областей не в фокусе фотографического изображения. На графиках MTF представлены кривые для меридиональной (штриховая) и сагиттальной (сплошная) ориентированных деталей. 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 цветами на границах высококонтрастных областей изменения. Только тангенциальная кривая указывает на хроматические аберрации. Приглушение не устраняет проблему, и поэтому тангенциальная кривая не меняется (улучшается), когда мы закрываем лепестки диафрагмы. Затем, если сагиттальная и тангенциальная кривые расходятся, когда вы опускаете диафрагму, это свидетельствует о наличии хроматических аберраций.

_______________________________________________________________

Форматы усложняют сравнение

Для проведения релевантных сравнений между форматами необходимо принять общую точку отсчета. Чтобы меньший формат мог разрешать те же самые детали в абсолютном выражении, чем больший формат (например, те же самые детали на отпечатке формата A3), он должен разрешать больше деталей на миллиметр на датчике (или негативе). Затем объективы и датчики меньшего формата должны иметь более высокую разрешающую способность для приближения к деталям, захваченным большими форматами, но это достигается за счет более низкого отношения сигнал/шум (что приводит к шуму, более узкому динамическому диапазону или более низкому тональному богатству). .

Дело в том, что нельзя напрямую сравнивать кривые MTF объектива, предназначенного для формата 35 мм, и объектива, предназначенного для формата APS-C или Four Thirds. Как объяснил Эрвин Путс, даже если вы используете объектив, предназначенный для формата 35 мм, с кропнутым сенсором, относительные характеристики этого объектива трудно измерить. Кривые разрешения 40 лп/мм для формата 35 мм эквивалентны кривым разрешения 60 лп/мм в формате APS-C (кроп-фактор x1,5), кривым 80 лп/мм в формате Four Thirds (кроп-фактор x2) и Кривые 30 лп/мм в цифровом (кадрированном 645, это 36х48мм) среднем формате (x0.72 по отношению к 35 мм).

Olympus, например, представляет кривые 20 лп/мм и 60 лп/мм. Эти кривые непосредственно сопоставимы с типичными кривыми MTF 10 лп/мм и 30 лп/мм для формата 35 мм, такими как предлагаемые Canon.

_____________________________________________________________

 

Воспринимаемое качество и аргумент круга нерезкости

Эти значения разрешения не являются пределом. Объективы могут разрешать более мелкие детали с хорошим уровнем контраста.См., например, цифры Эрвина Путса для нескольких высококачественных 50-мм объективов с диафрагмой f/5,6. В представленной им таблице можно увидеть разрешение 160 лп/мм при уровне контраста 30-35%. Однако утверждается, что острота зрения человеческого глаза ограничивает соответствующую разрешающую способность фотографической системы. Конечным результатом является отпечаток, и невооруженным глазом можно увидеть детали до определенного момента. Этот предел определяет, сколько деталей должны разрешать объектив и сенсор или пленка.Сейчас мы объясним, почему эта цепочка рассуждений неверна для оценки или сравнения современного цифрового оборудования.

Максимальный размер точки, который человеческий глаз не может увидеть, поскольку отдельная точка на отпечатке соответствует точке определенного размера на негативе. Это называется круг путаницы (CoC). Размер этого круга подразумевает максимальное разрешение, которое мы можем извлечь из фотографической системы. Вышеупомянутое число 40 лп/мм тесно связано с кружком нерезкости .Это также относится к формулам 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 уже давно был принят для формата 35 мм. Эта важная концепция основана на многих предположениях, касающихся размера отпечатка, размера формата, разрешающей способности объектива и пленки/сенсора, а также остроты зрения. Однако многие из этих поддерживающих допущений ошибочны или устарели.

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

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

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

Между тем, прошло несколько десятилетий, современные цветные пленки легко разрешают 120 лин/мм и более, а Kodak Ektar 25 и Royal Gold 25 лидируют с разрешением 200. Процессы четырехцветной печати также значительно улучшились, и наши ожидания относительно резкости также значительно улучшились.

Это по-прежнему абсолютно нормально для подавляющего большинства фотолюбителей, которые делают свои фотографии без штатива и печатают их размером не более 4×6.

Посмотрите, насколько устарели сегодня эти предполагаемые цифры и, соответственно, типовые шкалы ГРИП. Острота зрения также была сильно занижена.

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

При оптимальном расстоянии просмотра 25 см 60 угловых секунд соответствуют черным пятнам на ярком фоне диаметром 0,07 мм (яркие пятна на темном фоне могут быть еще меньше). Многие берут это число и делают неверные расчеты. Пятно диаметром 0,07 мм соответствует не линии такой ширины, а паре линий такой ширины (см. рисунок 4 ), т.к. светлые пятна имеют перепады яркости от центра к краям.Это означает 14 л/мм вместо обычных 7 л/мм. Но даже это число во многих случаях слишком консервативно…

 

Рис. 4: Изолированная точка, пара линий

В действительности, очень маленькое изолированное пятно не может возбудить достаточно большое количество колбочек сетчатки, а линия возбуждает. Мы можем воспринимать больше деталей, если они образованы линиями, а не пятнами , что означает, что мы можем видеть линию тоньше, чем диаметр минимального воспринимаемого размера пятна.Еще один фактор, который следует учитывать, — это контраст. Разрешение глаза также зависит от контраста между яркими и темными областями. Более того, она 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 светлом фоне, если линия не меньше 0.001 мм толщиной (1 микрон), учитывая оптимальное (для разрешения) расстояние просмотра 25 сантиметров. Это соответствует 0,8 угловых секунд. Выделенную яркую линию на темном фоне можно увидеть независимо от ее размера, только в зависимости от яркости линии.

Когда мы смотрим на группы линий, визуальное разрешение падает. Глаз может раздельно различать две черные линии на ярком фоне, если расстояние между ними (от центра до центра) не менее 0.05 миллиметров (40 угловых секунд, учитывая расстояние просмотра 25 см). Это соответствует 20 парам линий на миллиметр. Даже 25 пар линий на миллиметр оказывают существенное влияние на воспринимаемое качество изображения. Но учтите: для двух ярких линий на темном фоне разрешение достигает 1 угловой секунды! Эти цифры значительно превышают 7 лп/мм, обычно представляемые в качестве визуального предела.

Тогда обычные показатели остроты зрения не точны для всех возможных случаев.Но это не конец истории, потому что предполагаемый размер ссылки тоже устарел. По сути, отпечатки 8×10 (меньше формата A4) не могут определить текущий уровень требований к фотосистеме. В эпоху цифровых технологий типичный размер печати увеличился до формата A3 или даже больше. Более того, сравнение качества изображения или разрешения изображения обычно проводится на основе визуального осмотра на экране компьютера при увеличении 100%. Когда мы видим фотографию в 12 мегапикселей, увеличенную на 100%, на экране компьютера с разрешением 96 пикселей на дюйм, мы видим ее в размере, эквивалентном бумажному отпечатку размером более 1 метра х 70 сантиметров (40 х 28 дюймов)!

Многие люди сталкивались со сравнительным ухудшением точности фокусировки объективов при использовании с цифровым оборудованием (сдвиг фокуса, задний фокус, глубина резкости), и все эти устаревшие условности и предположения могут быть причиной этого.

По всем вышеуказанным причинам разрешающая способность цифровой системы должна оцениваться на ее пределе. Существуют практические соображения, для которых релевантны такие относительные понятия, как кружок нерезкости или субъективное восприятие качества, но это сильно 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 в качестве точки отсчета, где этот предел? Что это определяет? Это объектив или датчик? 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 объектива и их взаимодействием.Исходный сигнал, поступающий на объектив, не ограничен полосой (за исключением тестовых таблиц), но объектив накладывает ограничение на максимальную частоту, передаваемую на детектор, датчик или пленку. Цифровой захват имеет несколько важных отличий от захвата на пленку, в основном из-за регулярного расположения пикселей по сравнению со случайной и неправильной 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 по зерну».Цифровые устройства захвата резко прекращают запись деталей на так называемом пределе Найквиста , как вы можете видеть на рисунке 1 .

Это свойство имеет последствия, и самое важное из них связано с возможностью правильной «реконструкции» исходного сигнала, переданного объективом. Теорема Найквиста-Шеннона гласит, что для точного воспроизведения непрерывного сигнала с определенной частотой частота дискретизации должна быть , по крайней мере, двойной этого числа (см. этот симулятор).Теорема относится к единицам, которые должны быть переведены в частный случай цифрового изображения. Теорема говорит, что вам нужно как минимум 2 выборки за цикл, а это означает два пикселя на пару строк.

Затем мы можем определить предел Найквиста как максимальную частоту сигнала (в циклах или парах строк на миллиметр), которая может быть точно считана или воспроизведена с определенной частотой дискретизации. В лучшем случае вы получите один цикл (или пару строк) с двумя пикселями, и это предел, предел Найквиста .Так, для сенсора 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 линий (коэффициент Найквиста x1,5) или даже 2 пикселя на пару линий (коэффициент Найквиста x1) вполне достаточно. Некоторые тесты, проведенные путем сканирования тестовых диаграмм, показывают, что на самом деле может быть необходимо иметь гораздо больше, чем два пикселя на пару линий (см., например, анализ R.Н. Кларк), но исходная теорема Найквиста не относится к этому случаю, и обычные фотографические объекты также не являются парами высококонтрастных черных и белых линий на плоскости. Это означает, что на практике эффективное разрешение датчика может составлять всего 70% от его максимально возможного значения или предела Найквиста , в зависимости от объекта и других переменных. Как мы увидим, массивы Байера усложняют ситуацию.

В таблице 1 указано максимальное разрешение для объектива с ограничением дифракции (без аберраций) при различных значениях диафрагмы и различных уровнях контрастности (Норман Корен объясняет, как получаются эти числа).Посмотрите, как дифракция увеличивает диаметр дисков Эйри в таблице 1 . В реальных фотообъективах значения разрешения приближаются к представленным в таблице 1 только в первоклассных конструкциях при средних значениях диафрагмы, когда аберрации уменьшаются за счет диафрагмирования. Лучшее место для любого объектива — это средние значения диафрагмы, потому что аберрации уменьшаются, а эффекты дифракции еще не столь сильны.

Таблица 1 .Минимальный диаметр диска Эйри и соответствующее максимальное разрешение
в зависимости от расстояния между дисками для линзы 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 конкретной длины волны и апертуры расстояние между двумя соседними дисками Эйри определяет разрешение и уровень контраста.

Критерий Рэлея предполагает контрастность 9%, довольно низкую, но достаточную для того, чтобы человеческий глаз мог разделить два частично перекрывающихся диска (яркие звезды на темном фоне в телескоп). Первое темное кольцо одного из паттернов Эйри (первый минимум) должно находиться прямо под центром другого диска (центральный максимум). Расстояние между дисками равно одному радиусу диска Эйри .Зона перекрытия включает уменьшение сигнала от двух дисков, и результирующий контраст (разность высот между вершинами в центре дисков Эйри и самой глубокой частью сторон) довольно низкий. Трехмерное представление дисков Эйри может помочь в визуализации ( Рисунок 5 ).


 

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

На следующем двухмерном графике представлены два диска Эйри с этим рэлеевским разделением и соответствующим разрешением в парах линий ( рис. 6 ). Посмотрите, как пики (центры) и впадины (стороны) дисков определяют пару линий. Помните, что соответствие представляет собой пару линий на диск Эйри радиуса .

Рис. 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 изображения на сенсор. Датчику требуется больше контраста и разделения между дисками Эйри, чем человеческому глазу. Фовеальные колбочки не похожи на пиксели.

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

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

Двумерное представление помогает визуализировать взаимосвязь между разрешением, контрастностью и разделением дисков. Рисунок 8 обеспечивает одно из таких представлений для этого нового случая. Вы можете определить несколько пар линий, но с более высоким уровнем контрастности. Нет никакого перекрытия дисков Эйри, но это происходит с концентрическими кольцами, которые их окружают.Теперь вы можете разрешить максимум одну пару линий на диск Airy диаметром :

.

 

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

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


Рисунок 9: MTF ~ 80% случаев. Расстояние между дисками Эйри равно диаметру диска Эйри.
Вы получаете 1/2 пары линий на диаметр диска Эйри, но с более высоким уровнем контрастности.

Размер и расстояние между дисками Эйри налагают определенный интервал дискретизации, то есть интервал между пикселями или шаг пикселя . Когда пиксель слишком велик, некоторые детали теряются, и система ограничена разрешением. Если пиксель слишком мал, система не сможет разрешить больше деталей и будет ограничена дифракцией.Кажется, что это минимальный порог контрастности и, следовательно, минимальное расстояние между дисками, что приводит к 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. Поэтому теоретически 1,4-кратный размер пикселя (длина диагонали квадрата пикселя) должен равняться диаметру диска Эйри.Это означает, что диагональ пикселя — это диаметр кружка нерезкости сенсора.

Однако диск Эйри может определять пару линий (см. Рисунок 4 ), и вам потребуется два пикселя, чтобы извлечь эту линейную информацию из точек и избежать пространственного наложения. Затем общее правило для оптимальной выборки составляет 2 пикселя на диаметр диска Эйри в монохромных датчиках, что соответствует частоте Найквиста, равной 2 пикселям на пару строк.На практике более высокие частоты дискретизации не увеличивают разрешаемую детализацию.

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 объектива с ограничением дифракции.

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

К этому моменту вы уже знаете, что линзы с дифракционным ограничением не являются нормальным случаем.Лишь немногие объективы высшего класса приближаются к разрешениям, представленным в таблице 1 , да и то только при диафрагмировании до средних значений диафрагмы. Рассмотрим f/5.6 в качестве эталона, хотя действительно трудно найти объектив с ограничениями дифракции при такой диафрагме. Дифракционно-ограниченные разрешения для значений диафрагмы f/8 или f/11 более реалистичны для объективов массового производства. Длина волны света также важна. Зеленый представляет дневной свет и соответствует максимальной чувствительности глаза.Типичные датчики DSLR имеют пиксели в диапазоне от 5 до 6,4 мкм. Например, Pentax K20D имеет 15,1 миллиона пикселей и шаг пикселя 4,9 микрона. Камеры Olympus на основе 10-мегапиксельных сенсоров имеют пиксели размером 4,7 мкм. Canon 450D имеет размер пикселя 5,1 микрона, а Canon 1Ds Mark III имеет размер пикселя 6,4 микрона. Nikon D300 имеет размер пикселя 5,3 мкм, а Nikon D3 — 8,5 мкм. Новый 25-мегапиксельный сенсор Sony формата 35 мм имеет размер пикселя 5,9 микрона, а у Alpha 350 — 14.9 миллионов пикселей размером 5 микрон. Помните, что вы не получите большего разрешения, если диаметр диска Эйри в 1,4–2 раза больше, чем шаг пикселя.

В Таблице 3 показано, сколько пикселей соответствует различным форматам, принимая шаг пикселя из Таблицы 2 в качестве эталона. Мы сделали расчеты для разных длин волн, значений апертуры и размеров формата.

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

У вас есть все данные, но в качестве эталона возьмите зелено-желтый свет и значения диафрагмы f/8-f/11.Он представляет собой реалистичный, не слишком требовательный случай. Рассмотрим 35-мм систему с объективом f/11. В лучшем случае максимальное разрешение, которое вы получите, эквивалентно 16 МП, даже если у вашей камеры 22 или 25 МП. В случае системы на основе APS-C ограничение составляет 7 МП и 4 МП с учетом формата Four Thirds. При диафрагмировании до f/22 предел эффективного разрешения системы на основе 35 мм достигает 4 МП!

См. еще раз Рисунок 2 : объектив ограничивает разрешение 5-микронной пиксельной системы с апертурой f/22, но это также имеет место для f/16, f/11 или даже f/8.Этот шаг пикселя приводит к 10-мегапиксельному датчику Four Thirds, 15-мегапиксельному датчику APS-C, 35-мегапиксельному датчику формата 35 мм и 70-мегапиксельному датчику размера 36×48 мм. Сравните теперь эти числа со значениями, представленными в Таблице 3 . Только для объективов с высокой коррекцией (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 35-миллиметровый сенсор, но только объектив с ограниченной дифракцией при f / 5,6 воспользуется этим преимуществом.Плата приходится платить огромными файлами и сравнительно низким отношением сигнал/шум (что выражается в шуме, более узком динамическом диапазоне, меньшей тональной изменчивости… см., например, обзоры Olympus E-3 на dpreview.com и на Светящийся пейзаж). Единственный альтернативный способ получения большей детализации — большая поверхность захвата, то есть больший формат, но аберрации сложнее контролировать для больших световых кругов (см. переменную «Y» в этой таблице).

В дополнение к увеличению разрешения новая рыночная тенденция заключается в том, чтобы обеспечить также хорошую шумоизоляцию, более широкий динамический диапазон, более широкую тональную изменчивость и т. д.Увеличивать количество пикселей в этом контексте становится намного сложнее для сенсоров малого формата, а бессмысленно с точки зрения разрешения .

_____________________________________________________________

 

Выводы

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

Сенсоры для больших форматов приближаются к дифракционному пределу реальных объективов, и для них сложнее добиться высоких уровней подавления аберраций.Дело в том, что вы не можете полностью использовать разрешающий потенциал датчиков высокого разрешения с обычными объективами массового производства, 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 давать сравнимые результаты на бумаге при определенных условиях (рассуждения кружка нерезкости объясняют, как это возможно), но предел системы должен оцениваться с учетом пикселя как минимального круга нерезкости.

Благодарности: Я хотел бы поблагодарить Peter Burns, Norman Koren, Roger N. Clark, Brian A. Wandell и Nathan Myhrvold за их полезные комментарии и предложения.

Рубен Осуна — профессор университета UNED в Мадриде. Эфраин Гарсия — профессиональный модный и рекламный фотограф.

июнь – 2008 г.

Как рассчитать разрешающую способность объектива – e-con Systems

В системе камеры датчик изображения получает падающий свет (фотоны) — либо сфокусированный через линзу, либо через любую другую оптику.Следовательно, выбор объектива играет важную роль в определении качества изображения, FoV (поля зрения), DoF (глубины резкости) и т. д.

В сегодняшнем блоге давайте рассмотрим, как определить разрешающую способность объектива, которая является одним из наиболее важных параметров, которые следует учитывать при выборе объектива для вашего приложения.

Что такое разрешающая способность объектива и почему она важна?

Разрешающая способность объектива — это его способность различать две линии или точки на объекте или сцене.

Предположим, вам нужно расшифровать объект, например, небольшой штрих-код, причем на большом расстоянии. Вы должны были бы различать полосы, оставляя между ними определенное пространство. Это минимальное расстояние зависит от разрешения камеры. Однако, когда вы используете датчик с желаемым разрешением, также важно выбрать объектив, который может помочь получить уровень детализации, ожидаемый от этого разрешения. Здесь важно знать разрешающую способность объектива.

Например, если вы используете See3CAM_CU135 — 13-мегапиксельную USB-камеру высокого разрешения от e-con Systems™ — для считывания штрих-кодов, вам необходимо убедиться, что выбранный вами объектив соответствует максимальному желаемому разрешению.

Теоретический расчет разрешающей способности объектива

Разрешающая способность объектива измеряется в парах линий на миллиметр или пар линий/мм. Это измерение пространственного разрешения, используемое для расчета того, насколько мелкие детали изображения могут быть разрешены объективом.Единица выражает количество пар линий, которые вы можете разместить в пределах одного миллиметра.

Пара линий — это пара черных и белых линий, расположенных рядом друг с другом с одинаковой шириной и ориентацией. Возможность различать две полосы как отдельные объекты в определенном разрешении будет основываться на уровне контраста. Это означает, что расчет разрешения в пересчете на лп/мм чрезвычайно полезен при сравнении объективов. Это может выступать в качестве одного из критериев при выборе наиболее подходящего объектива для данного датчика и приложения.

Разрешающая способность рассчитывается как разрешение объектного пространства . А разрешение пространства объекта получается из того, что называется разрешением пространства изображения . Теперь мы рассмотрим оба условия и узнаем, что теперь они вычисляются.

Разрешение пространства изображения

Разрешение пространства изображения — это разрешение в плоскости изображения с учетом размера пикселя сенсора. Как правило, два пикселя или одна пара линий — это самая высокая частота, которую может разрешить сенсор, используя частоту Найквиста .Следовательно, разрешение пространства изображения теоретически рассчитывается как:

Разрешение пространства изображения в лп/мм = 1000 / (2 * размер пикселя в мкм)

Разрешение пространства изображения обратно пропорционально размеру пикселя сенсора. Это означает, что чем меньше размер пикселя, тем выше будет значение разрешения пространства изображения.

Разрешение пространства объекта

Как упоминалось выше, разрешение пространства объекта означает разрешающую способность объектива. Он определяет размеры элементов объекта, которые могут быть разрешены.Рассчитывается как:

Разрешение пространства объекта в лп/мм = Разрешение пространства изображения * PMAG.

Где PMAG = размер датчика / поле зрения (FoV).

Практический расчет разрешающей способности данного объектива

При расчете значения разрешающей способности объектива камеры практически учитывается реальное соотношение сторон камеры.

Например, если вы хотите рассчитать разрешающую способность See3CAM_CU135 — USB-камеры 4K — с объективом продукта по умолчанию, вы должны захватить изображение таблицы разрешения с желаемым соотношением сторон на заданном рабочем расстоянии.

В качестве примера, если рассматриваемое соотношение сторон для See3CAM_CU135 — 13-мегапиксельной USB-камеры — составляет 4:3, изображение диаграммы разрешения должно быть захвачено с этим соотношением сторон, чтобы окончательно получить разрешающую способность. Ниже приведен пример изображения диаграммы разрешения, снятого с соотношением сторон 4:3.

Рис. 1. Таблица расширенного разрешения ISO 12233

Чтобы понять, чем отличаются теоретические и практические методы расчета разрешающей способности, в следующем разделе мы рассмотрим, как это делается для e-con Systems See3CAM_CU135.

Расчет разрешающей способности See3CAM_CU135 — USB-камеры 4K

Разрешающая способность объектива может быть рассчитана как вручную, так и автоматически. Ручной метод называется методом восприятия человеческим глазом, а автоматизированный метод называется методом тестирования IMA. Мы рассмотрим их подробно в этом разделе.

Метод восприятия человеческим глазом

Чтобы рассчитать значение разрешающей способности или разрешения пространства объекта с помощью метода восприятия человеческим глазом, необходимо сначала найти значение LW/PH (ширина линии на высоту изображения).Для этого вы должны наблюдать за парой линий, выделенных красным цветом (горизонтальной или вертикальной) на диаграмме разрешения, приведенной в предыдущем разделе (рис. 1).

Как показано на диаграмме, вы можете считать число до тех пор, пока пара линий не ухудшится. Именно здесь вы не сможете различить черные и белые линии (из-за слияния появятся серые цвета). Как правило, значения этой линии будут указаны в диаграмме разрешения (100 x на высоту изображения).

Причина, по которой этот метод называется методом восприятия человеческим глазом, заключается в том, что количество подсчитываемых строк может различаться в зависимости от способности наблюдателя различать две последовательные строки.

Давайте теперь посмотрим, как производится вычисление. Ниже приведены точки данных по датчику:

  • Размер пикселя: 1,1 мкм
  • Высота активной области в пикселях: 4208
  • Горизонтальное поле зрения: 661,8 мм
Датчик высоты = Размер сенсора * высота активной области
  = (1,1 мкм * 4208)/1000
  = 4.6288мм.

Теоретический расчет разрешающей способности See3CAM_CU135

Вот как проходит теоретический расчет.

Разрешение пространства изображения = 1000 / (2 * размер пикселя)
  = 1000/(2 * 1,1)
  = 454,54 л/мм
ПМАГ = Высота датчика / HFOV
  = 4.6288 / 661,8
  = 0,007.
Разрешение пространства объекта = Разрешение пространства изображения * PMAG
  = 454,54 * 0,007
  = 3,18 л/мм

Практический расчет разрешающей способности See3CAM_CU135

Вот субъективное разрешение, наблюдаемое из таблицы разрешений ISO, учитывая, что вы можете разрешить линию на 23.

Разрешение пространства изображения по ширине строки на высоту изображения = 2300
Разрешение пространства изображения в парах строк на высоту изображения = разрешение пространства изображения в ширине строки на высоту изображения / 2
  = 1150
Разрешение пространства изображения в лп/мм = Разрешение пространства изображения в паре строк на высоту изображения / высоту сенсора
  = 1150/4.6288
  = 248 л/мм
Разрешение пространства объекта = Разрешение пространства изображения * PMAG
  = 248 * 0,007
  = 1,73 л/мм

Ниже приведено сравнение значений разрешения пространства изображения и разрешения пространства объекта, полученных теоретическим и практическим методами.

  Теоретическая Практический
Разрешение пространства изображения 454,54 л/мм 248 л/мм
Разрешение пространства объекта 3,18 л/мм 1,73 л/мм

Метод испытаний IMA:

В автоматизированном методе испытаний IMA значение LW/PH рассчитывается с учетом значения MTF30.Это объективное измерение резкости, которое лучше, чем субъективный анализ. Данные в диаграмме IMA представлены в единицах LW/PH и могут быть преобразованы в л/мм, как показано в приведенном выше расчете.

Ниже приведена диаграмма IMA для See3CAM_130 — 13-мегапиксельной USB-камеры с автофокусом от e-con Systems.

Рисунок 2: Диаграмма SFR

Используя приведенные выше данные, вы можете проверить, какое разрешение линп/мм будет у конкретного объектива на определенном рабочем расстоянии. Исходя из этого, вы можете выбрать правильный объектив для вашего приложения.Уместно отметить, что изменение поля зрения повлияет на коэффициент увеличения, что в конечном итоге повлияет на практическое разрешение пространства изображения.

Сделайте все правильно с e-con Systems с первого раза

Если вам нужна помощь в выборе решения для камеры с наиболее подходящим объективом для вашего приложения — независимо от отрасли, напишите нам по адресу [email protected] Вы также можете посетить раздел выбора камер, чтобы получить полный обзор портфолио камер e-con Systems.

Винот Раджагопалан — эксперт по встраиваемым системам машинного зрения с более чем 15-летним опытом управления разработкой продукции, НИОКР и технических консультаций. Он был ответственным за многие истории успеха в e-con Systems — от предварительной продажи и концептуализации продукта до запуска и поддержки. Начав свою карьеру в качестве инженера-программиста, в настоящее время он возглавляет команду мирового класса, занимающуюся крупными инициативами по разработке продуктов

.

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 в значительной степени зависят от используемых очков, покрытий линз и всей оптической конструкции. В частности, оптические ошибки, такие как сферическая или хроматическая аберрация, кома и астигматизм, приводят к размытым изображениям, что приводит к значительному снижению разрешения.

Стандартный объектив

Из-за различных оптических погрешностей и меньшей ЧКХ не особо резкие изображения.Оптика не может отображать тонкие 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 различимы благодаря датчику высокого разрешения.Также в пограничных областях изображение выглядит резким. Вырезка изображения размером 640×480 пикселей из 5-мегапиксельного изображения (камера с малыми пикселями сенсора 3,45 мкм)

Ограничение разрешения: эффекты дифракции

Свет с его волновыми свойствами 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: разрешение изображения уменьшается!

Опустить объектив: ограничение разрешения

Дифракция света на щели не может быть уменьшена никакими корректирующими мерами, она зависит только от ширины щели (апертуры) и длины волны света. Оптика идеального качества не дает никаких ошибок изображения, следовательно, резкость изображения определяется только дифракцией (оптика с ограничением дифракции)

Однако на практике становится очевидным, что уменьшение 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 диафрагмирования, так что выигрыш в качестве этого эффекта больше, чем снижение разрешения из-за эффекта дифракции на щели. Начиная с шага 8 эффект дифракции обычно снижает разрешение. Более подробная информация приведена в главе «Предельное разрешение и MTF».

Важно для машинного зрения

  • Обратите внимание на высокое оптическое качество ваших линз. Они должны быть способны копировать тонкие структуры на датчике.Прежде всего, решающее значение имеет размер пикселя сенсора камеры. Чем меньше пикселей сенсора, тем выше должно быть разрешение оптики!
  • Опустите оптику примерно на 2 деления диафрагмы, если света достаточно. Слишком мало света можно компенсировать за счет лучшего освещения или использования контроллера светодиодной вспышки. Если свет слишком интенсивный и слишком малая экспозиция сенсора привела к ухудшению изображения, нейтральный серый фильтр может помочь избежать необходимости слишком сильно закрывать объектив.
  • Лучше использовать коротковолновый свет, так как дифракционные эффекты также связаны с длиной волны. Для диапазона видимого света это означает, что вам лучше работать с синим или зеленым светом, а не с красным.
Разрешение

| Микроскоп Nikon U

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

Рис. 1 – Шаблоны Эйри и предел разрешения

Предел разрешения объектива микроскопа относится к его способности различать два близко расположенных диска Эйри на дифракционной картине (отмечено на рисунке).Трехмерные представления дифракционной картины вблизи плоскости промежуточного изображения известны как функция рассеяния точек и проиллюстрированы в нижней части на рисунке 1 . Изображение образца представлено серией близко расположенных точечных источников света, образующих узоры Эйри, и проиллюстрировано как в двух, так и в трех измерениях.

Разрешение — это несколько субъективная величина в оптической микроскопии, потому что при большом увеличении изображение может казаться нерезким, но все же разрешаться с максимальным разрешением объектива.Числовая апертура определяет разрешающую способность объектива, но общее разрешение всей оптической системы микроскопа также зависит от числовой апертуры конденсора предметного столика. Чем выше числовая апертура всей системы, тем лучше разрешение.

Правильная настройка оптической системы микроскопа также имеет первостепенное значение для обеспечения максимального разрешения. Конденсор предметного столика 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, используемого для изображения образца, также является определяющим фактором в степени разрешения, обеспечиваемой микроскопом. Более короткие волны способны лучше различать детали, чем более длинные волны. Есть несколько уравнений, которые были выведены для выражения связи 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 конденсора.Обратите внимание, что уравнения (1) и (2) отличаются коэффициентом умножения, который равен 0,5 для уравнения (1) и 0,61 для уравнения (2) . Эти уравнения основаны на ряде факторов (включая различные теоретические расчеты, сделанные физиками-оптиками) для объяснения поведения объективов и конденсоров, 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 низкая контрастность образца и неправильное освещение, могут привести к более низкому разрешению и, чаще всего, к 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 списка ( r ) и числовой апертуры ( NA ) при увеличении и коррекции объектива.

Таблица 1 — Разрешение и числовая апертура по коррекции объектива
Тип объектива
Планахромат План Флюорит План-апохромат
Увеличение Н.А. Разрешение
(мкм)
Н.Д. Разрешение
(мкм)
Н.Д. Разрешение
(мкм)
4x 0,10 2,75 0,13 2.12 0,20 1,375
10x 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 1,40 0,20  

Нет данных = числовая апертура

Когда микроскоп находится в идеальной юстировке и объективы правильно согласованы с конденсором предметного столика, тогда мы можем подставить числовую апертуру объектива в уравнения (1) и (2) , с дополнительным результатом, что уравнение (3) сводится к уравнению (2) . Важно отметить, что увеличение не появляется как фактор 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 световой волны является важным фактором разрешения микроскопа. Более короткие длины волн дают более высокое разрешение (более низкие значения для r ) и наоборот. Наибольшая разрешающая способность в оптической микроскопии достигается при ближнем ультрафиолетовом свете, самой короткой эффективной длине волны изображения. За ближним ультрафиолетовым светом следует синий, затем зеленый и, наконец, красный свет, позволяющий различать детали образца.В большинстве случаев для освещения образца микроскописты используют белый свет, генерируемый вольфрамово-галогенной лампой. Спектр видимого света сосредоточен на длине волны около 550 нанометров, преобладающей длине волны зеленого света (наши глаза наиболее чувствительны к зеленому свету). Именно эта длина волны использовалась для расчета значений разрешения в таблице 1. Значение числовой апертуры также важно в этих уравнениях, и более высокие числовые апертуры также будут давать более высокое разрешение. Влияние длины волны света на разрешение при фиксированной числовой апертуре (0.95), приведен в таблице 2, где более длинные волны дают более низкую степень разрешения.

Таблица 2 – Разрешение в зависимости от длины волны 0,21 0,24

Длина волны (нм)

Разрешение (микрометры)
360 0,19
400
450
500 .26
550 .29
600 .32 .32
650 650 .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, определяющим разрешение, является числовая апертура объектива, но разрешение также зависит от типа образца, когерентности освещения, степени коррекции аберраций и других факторов, таких как методика усиления контраста либо в оптической системе, либо в микроскопа или в самом образце.В конечном итоге разрешение напрямую связано с полезным увеличением микроскопа и пределом восприятия деталей образца.

Проверка объектива камеры — резкость, хроматическая аберрация и искажение

Часть 6. Тестирование объектива на разрешение, хроматические аберрации и искажения

Вероятно, самая частая жалоба или повод для беспокойства по поводу объектива заключается в том, что он не резкий, но что это значит? Ну, если вы не снимаете статичный объект с камерой и объективом на штативе, это, вероятно, не имеет большого значения.Полно фотографы не осознают, что рука, держащая камеру (даже если она или объектив имеет стабилизацию изображения), — это не способ получить максимально возможную резкость. Если скорость затвора достаточно высока, а руки достаточно устойчивы, вы можете получить критически четкое изображение, но не ставьте на то, что это происходит каждый раз.

Итак, у вас есть камера на штативе, что дальше. Ну, вы должны быть уверены, что объектив правильно фокусируется. Для этого вам нужно провести фокус-тестирование, как я описал в статье ЗДЕСЬ.Предполагая, что у вас есть камера и объектив с хорошей калибровкой, и вы получаете точную индикацию фокусировки с помощью системы автофокусировки, что тогда?

На этом этапе вы должны решить, сколько усилий вы хотите приложить для измерения оптических характеристик вашего объектива. Если вы хотите пройти весь путь, я бы порекомендовал вам посмотреть на Пакет Иматест. В настоящее время (2013 г.) это 299 долларов за «облегченную» версию и 2200 долларов за профессиональную версию (хотя доступна ограниченная бесплатная пробная версия). Я не буду вдаваться в подробности здесь, так как вы можете найти все, что вам нужно знать, на их веб-сайте.Он может дать вам много технической информации об объективе (если вы правильно проведете тесты), и это отличный пакет, но даже «облегченная» версия довольно сложна и больше, чем большинство людей хотят иметь дело. Если вы хотите провести тестирование объектива немного быстрее и проще (и намного дешевле), вы можете провести более простые тесты, используя тестовую таблицу, как описано ниже.

Таблицу тестирования линз, которую я собираюсь использовать, можно распечатать на карточке 4×6. Теперь цель 4×6 не очень велика, поэтому идея состоит в том, чтобы распечатать их несколько и разместить в центре и по углам более крупной диаграммы.Для камер с датчиком APS-C я обычно размещаю их на фоне размером 15 x 22 дюйма, и если он заполняет кадр, увеличение системы будет около 1:25, что по ряду причин является хорошим числом, чтобы показать типичную производительность. объектива. Если бы вы проводили тестирование объектива с помощью полнокадровой зеркальной фотокамеры, вы бы поместили мишени в центр и углы прямоугольника 24 x 36 дюймов, чтобы получить тот же коэффициент увеличения. Сама цель показана ниже:

Вы можете загрузить версию этого изображения для печати в высоком разрешении (в формате JPEG) по ЭТОЙ ССЫЛКЕ.

Если мишень для тестирования линз напечатана на глянцевой бумаге, большинство принтеров должны быть в состоянии печатать мишень хорошего качества при установке максимальных настроек качества. Линии на тестовых шаблонах должны быть хорошо разрешены, по крайней мере, до набора линий 5,0 пар линий/мм. Если цель используется на предполагаемом расстоянии, вы в любом случае не будете использовать ничего, кроме 2,8 или, может быть, 3,2 наборов линий.

Шаблоны разрешения при тестировании объективов основаны на шаблонах, используемых для тестовой таблицы NBS 1010A.Слева от центра установлен высокий контраст, а справа от центра — низкий контраст. В центре расположен шахматный рисунок, который используется для фокусировки. В узорах разрешения с каждой стороны находится узор звезды Сименса. Под тестовыми шаблонами находится линия длиной ровно 100 мм, которую можно использовать для калибровки, как описано ниже. Слева и справа внизу диаграммы есть небольшие текстурные пятна и текстовые блоки, которые можно использовать для визуальной оценки качества изображения.Черная рамка используется для поиска хроматической аберрации, что также будет описано позже.


Версия 2 схемы

ОБНОВЛЕНИЕ: Я обновил диаграмму, чтобы сделать ее более полезной. Я обнаружил, что при тестировании я редко использовал шаблон с низким контрастным разрешением в правой части диаграммы, поэтому я заменил его на синусоидальный шаблон звезды Сименса с мелким текстом в центре. На распечатанной диаграмме и в полноразмерном файле звездные линии доходят до белого центрального диска.Шаблон, который вы видите здесь на странице, является следствием уменьшения разрешения изображения до 600 пикселей в ширину. Оригинал имеет ширину 6600 пикселей. Синусоидальная версия имеет более плавные переходы от черного к белому, чем прямоугольная версия слева. Вместо текстурных паттернов (которые я также не нашел полезными) я поместил синусоидальное логарифмическое горизонтальное разрешение справа, два паттерна концентрических кругов (при 1,8 лп/мм и 2,8 лп/мм) и два серых пятна ( полезно для просмотра шума изображения), один для RGB 128 и один для RGB 192.Там также есть тестовая полоса шкалы серого в правом верхнем углу значений RGB 0, 64, 128, 192, 230). Концентрический круг 2.8 не выглядит как концентрический круг на изображении выше, но он похож на печатную версию. На изображении выше снова показан эффект уменьшения ширины до 600 пикселей, при котором круги не разрешаются.

Вы можете загрузить версию 2 тестовой таблицы разрешения в виде заархивированного файла jpeg.

Ниже приведена типичная тестовая установка объектива. В этом случае диаграммы 4×6 прикреплены к листу белой перфорированной доски (около 5 долларов в Home Depot!).Белый фон хорош, а регулярно расположенные отверстия обеспечивают как калибровку расстояния, так и могут использоваться для визуальной оценки дисторсии объектива и юстировки камеры.

Здесь используются три таблицы тестирования линз, но вы можете поместить по одной в каждый угол, если хотите, и таблицы можно поворачивать, если хотите. В этом случае угловые диаграммы размещаются в углах прямоугольника размером 15 x 22 дюйма. Как отмечалось выше, это заполняет кадр цифровой зеркальной фотокамеры APS-C, коэффициент увеличения составляет примерно 1:25.Для полнокадровой цифровой зеркальной фотокамеры (или SLR) используйте прямоугольник размером 24 x 36 дюймов.

Искажение

Если вы используете фон с регулярной прямоугольной сеткой, такой как предложенная выше белая накладка, вы можете использовать этот узор для оценки степени искажения объектива. Обратите внимание, что на изображении выше отверстия выстраиваются по очень прямой линии вдоль краев этого изображения, показывая, что объектив (EF 50/1.8) имеет очень низкую дисторсию.

Съемка таблицы тестирования объектива

Используйте штатив.Мне все равно, насколько устойчивы ваши руки или есть ли у вас стабилизация изображения, если вы хотите точного и воспроизводимого результаты, вам нужен штатив. Спусковой тросик тоже не помешает, особенно если вы тестируете длиннофокусный объектив и/или у вас медленная скорость затвора. Вы даже можете использовать MLU (Mirror Lock Up), если он у вас есть и вы хотите быть уверены, что движение камеры не влияет на резкость, хотя MLU, вероятно, не нужен с объективами короче 100 мм.

Установите высоту штатива так, чтобы центр объектива находился на одном уровне с центром диаграммы.Отодвиньте камеру от диаграммы до тех пор, пока область размером 15 x 22 дюйма не уместится в видоискателе. Теперь убедитесь, что ваша камера направлена ​​прямо на график. Настройте освещение (если вы делаете это в помещении), отрегулируйте баланс белого и снимите показания экспозиции с серой карты. Если у вас нет серой карты и вы используете белый фон, как в приведенном выше примере, просто установите компенсацию экспозиции примерно на +1,5 ступени. Это должно сделать белые цвета белыми, а не средне-серыми.

Очень важно правильно выровнять камеру/объектив и диаграмму.Есть три вещи, которые нужно согласовать:

  1. Плоскость датчика должна быть параллельна диаграмме
  2. Оптическая ось линзы должна пересекать центр диаграммы
  3. Горизонтальная/вертикальная оси датчика должны совпадать с горизонтальной/вертикальной осями диаграммы

Есть несколько способов обеспечить выравнивание, вот один из них:

Возьмите длинный, прямой, тонкий стержень и закрепите его так, чтобы он торчал из центра диаграммы под прямым углом.Вы можете настроить это геометрически с помощью Т-образного квадрата. Тогда при просмотре графика должен быть виден только кончик стержня. Если вы видите какую-либо из сторон стержня, выравнивание нарушено. Если вы видите только подсказку, то условия №1 и №2 из приведенного выше списка выполнены. Чтобы выполнить условие № 3, вам просто нужно повернуть объектив, пока стороны видоискателя не будут параллельны сторонам диаграммы. Если не совсем параллельно (из-за искажения), то левый и правый и верхний и нижний зазоры должны быть симметричны.

Подойдет любой источник равномерного освещения, если освещение действительно равномерное. Идеально было бы снимать на улице при дневном свете, но можно снимать и в помещении с рассеянным искусственным светом. Можно использовать вспышки, люминесцентные лампы или лампы накаливания. Опять же, просто убедитесь, что освещение равномерное, и вы не получаете отражения от тестовых целей (это означает, что использование встроенной вспышки не является хорошей идеей).

Для большинства объективов вы захотите снять первое изображение с максимальной диафрагмой, а затем серию снимков с диафрагмой на 1 ступень для каждого.Так что для объектива f2.8 снимайте при f2.8, f4, f5.6, f8 и т. д. После f8 вы, вероятно, начнете видеть некоторое снижение резкости из-за эффектов дифракции.

Если вы знаете, что у вас хороший AF, вы можете использовать AF. Если вы не уверены, сравните несколько снимков с ручной фокусировкой и автофокусировкой или проведите тест автофокусировки, как описано ЗДЕСЬ. Выберите режим автофокусировки «один кадр» и используйте только центральную зону автофокусировки. Если вы хотите быть абсолютно уверены, что все снимки используют одну и ту же настройку фокусировки, вы можете сфокусировать объектив с помощью AF, переключившись в ручной режим фокусировки.Если у вашей камеры есть опция «Live View», используйте ее. При ручной фокусировке он точно покажет, когда изображение находится в лучшем фокусе, без какой-либо двусмысленности. Экран видоискателя должен быть идеально выровнен, чтобы показать наилучшую фокусировку, но для ручной фокусировки в режиме Live View используется тот же датчик, что и для фактического изображения, поэтому, если один находится в фокусе, другой будет в фокусе. Большинство камер обеспечивают увеличенное изображение в режиме реального времени для еще большей точности фокусировки.

Анализ изображений таблицы тестирования объектива

Снимаемые вами изображения можно довольно легко проанализировать на резкость и хроматические аберрации.Цифры в таблице тестирования объективов представляют пар линий на мм (лп/мм) значений тестовых шаблонов, рядом с которыми они находятся. Эти паттерны должны быть довольно точными вплоть до набора с пометкой 5.0. После этого набора большинство принтеров не могут генерировать точные шаблоны, но нам они все равно не понадобятся.

Чтобы найти разрешение сенсора, нам нужно знать увеличение. Например, если увеличение составляет 1/26 (1:26) и на изображении разрешена линия, установленная на 2,5 пар линий/мм, это действительно соответствует разрешению в 26 раз больше, чем на сенсоре, т.е.е. 2,5 х 26 = 65 л/мм. Существует три способа определения увеличения. Обратите внимание, что разрешение можно определить только с шагом около 12%. Если разрешена группа 2,5 лп/мм, результирующее расчетное разрешение составляет 65 лп/мм. Следующая группа (2,8 лп/мм) соответствует 73 лп/мм. Таким образом, вы получите 65 или 73 л/мм. Вы не можете получить что-то среднее из этого графика.

  • Если вы используете фоновую доску с расстоянием между отверстиями в 1 дюйм, вы можете просто подсчитать количество промежутков между отверстиями на изображении.Если вы посчитаете 22,5, изображение будет иметь площадь 22,5 дюйма в ширину, что составляет 571,5 мм. Разделите это значение на фактическую ширину вашего датчика изображения. Для EOS 40D это 22,2 мм. Таким образом, вы делите 571,5 на 22,2, чтобы получить увеличение. коэффициент, который в данном случае будет 25,75x
  • Вы также можете измерить длину 100-миллиметровой линии на диаграмме в пикселях. Допустим, вы нашли строку длиной 670 пикселей. Мы знаем, что у EOS 40D сенсор имеет ширину 22,2 мм и содержит 3888 пикселей по ширине. Поэтому изображение линии 100 мм на сенсоре должно быть (670/3888) * 22.2 мм = 3,825 мм. Таким образом, коэффициент увеличения составляет 100/3,825 = 26,14x.
  • Если у вас есть углы области 15″x22″ в углах кадра, увеличение будет около 26x. Это приблизительно, но, вероятно, достаточно хорошо!

Итак, теперь посмотрите на изображение в масштабе 100% в графическом редакторе и посмотрите, какой из наборов штриховых узоров разрешен лучше всего. Допустим, вы видите, что набор 2,5 лп/мм разрешен, а набор 2,8 лп/мм — нет. Допустим, вы определили коэффициент увеличения как 26-кратный.Разрешение датчика будет 2,5 x 26 = 65 пар линий/мм.

Теперь проблема в том, что датчик ограничивает разрешение. Например, Датчик EOS 40D имеет расстояние между пикселями 5,71 мкм, поэтому на мм приходится 175 пикселей. В теории информации есть теорема, называемая теоремой выборки Найквиста, которая гласит, что для восстановления синусоидальной волны вы должны взять как минимум удвоенную частоту синусоидальной волны. Если бы вы предположили, что тот же принцип применим к графикам линейных фигур, самое лучшее, что вы могли бы сделать, это решить около 87.5 лин/мм с датчиком, имеющим 175 пикселей/мм. Однако вы не можете строго применять теорему Найквиста по ряду причин. Во-первых, на датчике есть сглаживающий фильтр, который обрезает отклик близко к пределу Найквиста, чтобы устранить ложные эффекты, такие как муаровые узоры на изображениях с близко расположенными линиями. Даже без сглаживающего фильтра вы не будете восстанавливать синусоидальные волны. Вы смотрите на паттерны баров с высокочастотными компонентами. Так что вы никогда не получите 87.Разрешение 5 пар линий/мм, независимо от качества объектива.

Основным результатом всего этого является то, что даже с датчиком EOS 40D (который, кстати, имеет примерно такой же шаг пикселя и, следовательно, разрешение, что и 22-мегапиксельная заполняющая рамка EOS 1Ds MkIII), вы не увидите более 75 пар линий/мм. решено. Поскольку большинство объективов способны обеспечивать разрешение намного больше, чем 75 пар линий/мм, это, в свою очередь, означает, что большинство объективов будут давать такое же разрешение на основе этих измерений таблицы, даже при широко открытой диафрагме.Это не означает, что все объективы одинаково хороши на всех значениях диафрагмы. Это означает, что строгое измерение разрешения не является лучшим показателем качества объектива. Так зачем измерять? Что ж, если вы не видите разрешение более 60 пар линий/мм в центре изображения, вы знаете, что у вас либо очень плохой объектив, либо очень плохой образец, либо проблема с объективом или фокусировкой. В углах изображения вы можете увидеть более низкие значения, особенно для недорогих зум-объективов.

Слева 100% кадрирование тестового изображения.Вы можете видеть, что набор линий 2,5 лп/мм имеет довольно хорошее разрешение. На самом деле даже набор 2,8 лп/мм просто разрешен. Для этого конкретного изображения был измерен коэффициент увеличения 26,3, поэтому здесь мы видим разрешение 2,8 x 26,3 = 73 пар линий/мм. Кстати, этот снимок был сделан с использованием объектива Canon EF 50/1.8 с диафрагмой f5.6. Если вы видите что-то подобное, с вашим объективом все в порядке. С 8-мегапиксельным сенсором APS-C DSLR вы можете увидеть немного более низкое разрешение, а с 12-мегапиксельным APS-C DSLR вы можете увидеть немного более высокое разрешение, но разница, вероятно, будет довольно небольшой.Слева — 100% кадрирование изображения, снятого на 12-мегапиксельную камеру Sony Alpha 700 с макрообъективом 100/2,8 и f5,6.

Чем же тогда хороший объектив лучше плохого, если цифровые изображения, которые они производят, имеют одинаковое центральное разрешение? Ответ — контрастность, или, точнее, MTF (функция передачи модуляции) при разрешениях, меньших теоретического предела. Для объяснения MTF см. статью MTF и SQF на этом веб-сайте. Более высокая контрастность (MTF) приведет к тому, что изображения будут выглядеть более четкими и фактически будут содержать больше информации.Вот почему эти графики имеют высококонтрастный и низкоконтрастный набор паттернов. Лучшие объективы будут лучше отображать мелкие детали в низкоконтрастных изображениях, чем плохие объективы, и поэтому могут дать лучшее представление о лучшем объективе.

В нижней части диаграммы также есть образцы текста и узоров (трава и волны). Их также можно использовать для визуальной оценки хрусталика. С диаграммами, снятыми с расчетным коэффициентом увеличения около 25-26x, меньший текст должен быть на пределе удобочитаемости.Слева 100% обрезка, взятая из тестовой таблицы текстового блока слева внизу.

Хроматическая аберрация больше всего заметна по бокам от черных линий границы диаграммы в углу изображения. Если вы видите один цвет на одной стороне линии и другой цвет на другой, вы видите хроматическую аберрацию. Слева — образец из угла изображения, снятого объективом Canon EF-S 18-55/3,5-5,6 с фокусным расстоянием 50 мм и f5,6. Вы можете увидеть фиолетовую полосу справа от линии и желтую полосу слева, что указывает на наличие хроматической аберрации.Чем интенсивнее цвета и шире цветовые полосы, тем больше аберрация. Я бы сказал, что такое количество хроматических аберраций заметно, но вполне приемлемо для недорогого потребительского зума.

Звездный паттерн Сименса, особенно высококонтрастная версия слева на графике, может рассказать вам обо всем. может быть самым полезным отдельным элементом диаграммы для визуальной оценки качества изображения. Это узор, состоящий из чередующихся черных и белых тонких сегментов в форме пирога.По мере продвижения к центру звезды линии становятся все ближе и ближе друг к другу. Чем выше разрешение системы, формирующей звездный узор, тем ближе к центру звезды они будут казаться слитыми. Ниже приведены реальные изображения звезд Сименс, сделанные с помощью EOS 40D и объектива EF 50/1.8 при диафрагмах f16 (слева) и f5.6 (справа).

Изображение слева было снято при f/16 и смягчено из-за эффектов дифракции. Изображение справа было снято с диафрагмой f5.6, возможно, с одним из самых резких значений диафрагмы для этого объектива.Как видите, линии видны ближе к центру звезды на изображении с более высоким разрешением справа. Вы также можете увидеть некоторые узоры рядом с центральным диском. Это вызвано взаимодействием высокочастотных составляющих изображения (высокое разрешение объектива) с шаблоном дискретизации пикселей. На изображении слева таких паттернов нет, потому что в изображении нет таких высокочастотных составляющих. Линии сродни муаровым узорам.

Приведенные выше звездные узоры показывают, что происходит, когда фокус смещается.Слева изображение сфокусировано, а каждое изображение справа показывает, что происходит, когда фокус смещается примерно в 0,5, 1 и 1,5 раза от общей глубины резкости объектива. На изображении звезды в крайнем правом углу видны кольца кажущейся резкости (размытое в центре, затем кольцо резкости, затем размытое кольцо). Это классический признак обращения оптической фазы, которое происходит в условиях расфокусировки.

Ультра высокого разрешения телецентрический макрос линзы прямо 2x — CA-LMHR20

9197

* 5

CA-LMHR20

CA-LMHR20 * 1

* 1

x1.от 73 до x2,20

Макс. размер совместимого датчика изображения

2/3″

Поле зрения

2/3″: малое увеличение 4,8 x 4,1 мм 0,5″ x 0,19″ x 0,36″ x 0,13″
1/1,8″: Малое увеличение 4,1 x 3,1 мм 0,16″ x 0,12″, Большое увеличение 3,2 x 2,4 мм 0,13″ x 0,09″

Низкий диапазон диафрагмы (диафрагма)

09 7 7 7 7

увеличение: 6.8 до 43, высокое увеличение: 8,7 к 55

Разрешение мощности

Центр / периферия: 120 циклов / мм

WD

Низкое увеличение: 114,8 мм 4,52 «, высокий Увеличение: 109,4 мм 4.31 « * 2

искажение телевизора

Низкий Увеличение: 0,001%, высокое увеличение: 0,011%

Глубина

Низкое увеличение : 0.428 мм0,02 «, высокое увеличение: 0.264 mom0.01» * 3

C-Mount

Pixel Разрешение
(US 3,5 мкм 0,14 мил: Низкое увеличение К нам 4,4 мкм 0,17 мил: высокое увеличение)

2 мкм 0,08 мил / пиксель * 4

Разрешение

Экологические Сопротивление

температура окружающей среды

0 до +50 ° C с 32 до 122 ° F

относительная влажность

от 35 до 80% RH (без конденсации)

Вес

Прибл.

Разрешающая способность объектива: ЧКХ (MTF), разрешение и контраст

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Пролистать наверх