Разрешающая способность объектива это – Разрешающая способность объектива

Разрешающая способность объектива

Каждый объектив характеризуется определенной разрешающей способностью, фокусным расстоянием (глубиной резкости) и увеличением.

Разрешающая способность объектива микроскопа (d) — наименьший диаметр частицы,которую можно увидеть при данном объективе, или то наименьшее расстояние между двумя линиями, при котором они видны как отдельные. Разрешающая способность объектива микроскопа зависит от значений нумерической (числовой) апертуры (A) объектива и конденсора и длины волны источника света (λ ). Для пучка лучей, параллельных оптической оси микроскопа, разрешающую способность объектива микроскопа определяют по формуле

d = λ/A

Для наклонных лучей разрешающая способность в 2 раза выше:

d = λ/2A,

где λ – длина волны, нм; А – числовая апертура объектива.

Длина волны лучей источника света в видимой части спектра может меняться от 0,4 мкм (400 нм) для фиолетовых лучей до 0,7 мкм (700 нм) для красных. Следовательно, чем короче длина волны лучей источника света и чем больше апертура объектива, тем выше разрешающая способность объектива микроскопа, т. е. тем более тонкие структуры мы сможем увидеть в микроскоп. При освещении объекта наклонными лучами разрешающая способность объектива микроскопа в 2 раза выше, чем при освещении прямо падающими лучами. Освещая препарат синими лучами (λ = 0,47 мкм), т. е. применяя в осветителе синий светофильтр,можно изучать более тонкие структуры, чем при освещении обычным белым светом.

Пример: для объектива с A=1,4 при освещении белым светом (λ = 0,55 мкм) диаметр наименьшей видимой частицы при прямо падающем свете равен 0,39 мкм, при косом освещении – 0,20 мкм, а при освещении синим светом – 0,34 и 0,17 мкм, соответственно. Максимальное разрешение, которое можно получить при использовании светового микроскопа, 0,20 – 0,35 мкм. Увеличить разрешающую способность можно при использовании ультрафиолетового света (длина волны 0,26 – 0,28 мкм), что позволяет получить разрешение 0,13 – 0,14 мкм.

Числовая апертура объектива

Числовая, или нумерическая, апертура (А) объектива характеризует светособирательную способность и определяется по формуле

A=n∙sinα,

где n– показатель преломления среды между фронтальной линзой объектива и покровным стеклом; α – половинный угол входного отверстия объектива (угол, одна сторона которого совпадает с оптической осью, другая образована линией, соединяющей точку выхода лучей из объектива с границей действующего отверстия объектива) (Рис. 2).

Рис. 2. Угол отверстия объектива микроскопа: Об – объектив; Кн – конденсор; Р – плоскость препарата; F– фронтальная плоскость; α – угол отверстия объектива

Общее увеличение микроскопа

Увеличение объектива указано на оправе, там же указана и числовая апертура. Конденсоры тоже имеет определенную числовую апертуру. Если апертура конденсора меньше апертуры объектива, то возможности объектива, таким образом, используются в работе неполностью.

Общее увеличение микроскопа определяется как произведение увеличения объектива (V_об) на увеличение окуляра(V_ок):

V=V_об ·V_ок .

Если объектив имеет увеличение 90х, а окуляр 15х, то общее увеличение равно 1350. Увеличения, превышающие эту величину, не имеют значения и их называют бесполезными и это связано с тем, что структуру препарата окуляр может увеличить настолько, чтобы она просматривалась под тем же углом зрения, что и в объективе. Это увеличение называется полезным, и оно равно 1000 А. Расчеты показывают, что полезное увеличение не может превышать 1300 –1450 раз. Большее увеличение не выявляет новых деталей на изображении, а освещенность его становится меньше.

studfile.net

Разрешающая способность объектива: понятие, формула

Разрешение — это способность системы изображения воспроизводить детали объекта, которое зависит от таких факторов, как тип используемого освещения, размер пикселя датчика и возможности оптики. Чем меньше детали объекта, тем выше требуемая разрешающая способность объектива.

Введение в процесс разрешения

Качество изображения камеры зависит от сенсора. Попросту говоря, цифровой датчик изображения — это чип внутри корпуса камеры, содержащий миллионы светочувствительных пятен. Размер датчика камеры определяет, сколько света может быть использовано для создания изображения. Чем больше датчик, тем лучше качество изображения, так как собирается больше информации. Обычно в торговой сети цифровые камеры рекламируют размеры датчика: 16 мм, Super 35 мм, а иногда и до 65 мм.

По мере увеличения размера датчика глубина резкости будет уменьшаться при заданной диафрагме, так как больший аналог требует приблизиться к объекту или использовать более длинное фокусное расстояние для заполнения кадра. Чтобы поддерживать ту же глубину резкости, фотограф должен использовать меньшие размеры диафрагмы.

Эта небольшая глубина резкости может быть желательной, особенно для достижения размытия фона для портретной живописи, но для пейзажной фотографии требуется большая глубина, которая легче снимается с гибким размером диафрагмы компактных камер.

Разделение количества горизонтальных или вертикальных пикселей на датчике укажет, сколько места занимает каждый из них на объекте, и может использоваться для оценки разрешающей способности объектива и разрешает сомнения покупателя о размере элементов цифрового изображения у устройства. В качестве отправной точки важно понять, что может фактически ограничить разрешение системы.

Это утверждение можно продемонстрировать на примере пары квадратов на белом фоне. Если квадраты на датчике камеры отображаются на соседние пиксели, то они будут казаться одним большим прямоугольником на изображении (1a), а не двумя отдельными квадратами (1b). Чтобы отличить квадраты, между ними требуется определенное пространство, по крайней мере, один пиксель. Это минимальное расстояние является предельным разрешением системы. Абсолютное ограничение определяется размером пикселей на датчике, а также их количеством.

Измерение характеристик объектива

Связь между чередующимися черными и белыми квадратами описывается, как линейная пара. Как правило, разрешение определяется частотой, измеренной в парах линий на миллиметр — lp/mm. К сожалению, разрешающая способность объектива в см не является абсолютным числом. При заданном разрешении способность видеть два квадрата в виде отдельных объектов будет зависеть от уровня шкалы серого. Чем больше разделение в серой шкале между ними и пространством, тем более устойчивой является способность разрешать эти квадраты. Это разделение серой шкалы известно, как контраст с определенной частотой.

Пространственная частота задается в lp/mm. По этой причине вычисление разрешения в терминах lp/mm чрезвычайно полезно при сравнении линз и определении наилучшего выбора для данных датчиков и приложений. Первый находится там, где начинается расчет разрешения системы. Начиная с датчика, легче определить, какие характеристики объектива нужны для соответствия требованиям устройства или других приложений. Самая высокая частота, разрешенная датчиком, — Найквиста, фактически равна двум пикселям или одной линейной паре.

Разрешающая способность объектива по определению, также называемая разрешением пространства изображения для системы, ее можно определить, умножив размер в μm на 2, чтобы создать пару, и разделив его на 1000 для преобразования в мм:

lp/mm = 1000/ (2 Х pixel)

Датчики с большими пикселями будут иметь более низкие предельные разрешения. Датчики с меньшими пикселями будут иметь более высокие показатели, согласно вышеприведенной формуле разрешающей способности объектива.

Активная область датчика

Можно рассчитать предельное разрешение для объекта, подлежащего просмотру. Для этого необходимо различать такие показатели, как соотношение между размером датчика, полем обзора и количеством пикселей на датчике. Размер последнего относится к параметрам активной области датчика камеры, обычно определяемому размером его формата.

Тем не менее точные пропорции будут варьироваться в зависимости от соотношения сторон, а номинальные форматы датчиков следует использовать только в качестве ориентира, особенно для телецентрических линз и больших размеров увеличения. Размер датчика можно непосредственно рассчитать по размеру пикселей и их активному количеству, чтобы выполнить проверку разрешающей способности объектива.

В таблице показан предел Найквиста, связанный с размерами пикселей, найденными на некоторых очень часто используемых датчиках.

Размер пикселя (мкм)	Связанный предел Найквиста (lp / mm)
1,67	299,4
2,2	227,3
3,45	144,9
4,54	110,1
5,5	90,9

По мере уменьшения размеров пикселей, связанный предел Найквиста в lp/mm увеличивается пропорционально. Чтобы определить абсолютное минимальное разрешаемое пятно, которое можно увидеть на объекте, необходимо рассчитать отношение поля зрения к размеру датчика. Это также известно, как первичное увеличение (PMAG) системы.

Отношение, связанное с системным PMAG, позволяет масштабировать разрешение пространства изображений. Как правило, при разработке приложения оно не указывается в lp/mm, а скорее в микронах (мкм) или долях дюйма. Можно быстро перейти к предельному разрешению объекта, используя вышеуказанную формулу для упрощения выбора разрешающей способности объектива z. Также важно иметь в виду, что есть много дополнительных факторов, и вышеназванное ограничение намного меньше дает погрешности, чем сложности учета многих факторов и расчета их с помощью уравнений.

Вычисление фокусного расстояния

Разрешение изображения — это количество пикселей в нем. Обозначается в двух измерениях, например, 640X480. Расчеты могут выполняться отдельно для каждого измерения, но для простоты это часто сводится к одному. Чтобы сделать точные измерения на изображении, нужно использовать минимум два пикселя на каждую самую маленькую область, которую требуется обнаружить. Размер датчика относится к физическому показателю и, как правило, не указан в паспортных данных. Лучший способ определить размер датчика — посмотреть параметры пикселя на него и умножить его на формат, в этом случае разрешающая способность объектива разрешает проблемы плохого снимка.

Например, камера Basler acA1300-30um имеет размер пикселя 3,75 x 3,75um и разрешение 1296 x 966 пикселей. Размер датчика составляет 3,75 мкм x 1296 на 3,75 мкм x 966 = 4,86 х 3,62 мм.

Формат датчика относится к физическому размеру и не зависит от размера пикселя. Этот параметр используется для определения того, с каким объективом камера совместима. Для того чтобы они совпадали, формат объектива должен быть большим или равным размеру датчика. Если используется объектив с меньшим форматом, изображение испытывает виньетирование. Это приводит к тому, что области датчика вне края формата объектива становятся темными.

Пиксели и выбор камеры

Чтобы увидеть объекты на изображении, должно быть достаточно места между ними, чтобы они не сливались с соседними пикселями, иначе они будут неотличимы друг от друга. Если объекты по одному пикселю, разделение между ними также должно быть не менее одного элемента, именно благодаря этому образуется пара линий, которая фактически имеет два пикселя в размере. Это одна из причин, по которой некорректно измерять разрешение камер и линз в мегапикселях.

На самом деле проще описать возможности разрешения системы в терминах частоты пар линий. Из этого следует, что при уменьшении размера пикселя разрешение увеличивается, поскольку можно поместить меньшие объекты на более мелкие цифровые элементы, иметь меньше пространства между ними и по-прежнему разрешать расстояние между снимаемыми предметами.

Это упрощенная модель того, как датчик камеры обнаруживает объекты, не принимая во внимание шум или другие параметры, и является идеальной ситуацией.

MTF контрастных диаграмм

Большинство объективов — не идеальные оптические системы. Свет, проходя через линзу, подвергается определенной степени деградации. Вопрос в том, как можно оценить эту деградацию? Прежде чем ответить на этот вопрос, нужно определить понятие «модуляции». Последняя является мерой контраста len на заданной частоте. Можно было бы попытаться проанализировать изображения реального мира, сделанные через объектив, чтобы определить модуляцию или контрастность для деталей разных размеров или частоты (интервал), но это очень непрактично.

Вместо этого намного легче измерить модуляцию или контрастность для пар чередующихся белых и темных линий. Они называются прямоугольной решеткой. Интервалом линий в прямоугольной волновой решетке является частота (v), для которого измеряют функцию модуляции или контраста объектива и разрешающую способность в см.

Максимальное количество света будет поступать из световых полос, и минимальное из темных полос. Если свет измеряется по яркости (L), можно определить модуляцию в соответствии со следующим уравнением:

модуляция = (Lmax — Lmin) / (Lmax + Lmin),

где: Lmax — максимальная яркость белых линий в решетке, а Lmin — минимальная яркость темных.

Когда модуляция определяется с точки зрения света, ее часто называют контрастом Майкельсона, поскольку принимают соотношение освещенности от светлого и темного полос для измерения контраста.

Например, есть квадратная волновая решетка определенной частоты (v) и модуляции, а также присущий контраст между темными и светлыми областями, отражающийся от этой решетки через объектив. Модуляция изображения и, таким образом, контрастность линзы измеряют для данной частоты решетки (v).

Функция передачи модуляции (MTF) определяется как модуляция M _i изображения, деленное на модуляцию стимула (объекта) M _o , как показано в следующем уравнении.

Тестовые решетки USF печатаются на 98% яркой лазерной бумаге. Черный лазерный тонер для принтера имеет коэффициент отражения около 10%. Таким образом, значение для M ₀ составляет 88%. Но поскольку пленка имеет более ограниченный динамический диапазон по сравнению с человеческим глазом, можно с уверенностью предположить, что M ₀ составляет по существу 100% или 1. Таким образом, приведенная выше формула сводится к следующему более простому уравнению:

Таким образом, MTF len для данной частоты решетки (v) представляет собой просто измеренную модуляцию решетки (M_i) при фотографировании через линзу на пленку.

Разрешение микроскопа

Разрешающая способность объектива микроскопа — это кратчайшее расстояние между двумя отдельными точками в поле зрения его окуляра, которое все еще можно отличить как разные объекты.

Если две точки ближе друг к другу, чем ваше разрешение, они будут казаться нечеткими, а их позиции будут неточными. Микроскоп может предлагать высокое увеличение, но, если объективы имеют низкое качество, получившееся плохое разрешение ухудшит качество изображения.

Ниже приведено уравнение Аббе, где разрешающая способность объектива z микроскопа — это разрешающая сила, равная длине волны используемого света, деленная на 2 (числовая апертура объектива).

На разрешение микроскопа влияют несколько элементов. Оптический микроскоп, установленный с большим увеличением, может создавать изображение, которое размыто, тем не менее оно все еще находится на максимальном разрешении объектива.

Цифровая апертура объектива влияет на разрешение. Разрешающая способность объектива микроскопа — это число, указывающее на способность линзы собирать свет и разрешать точку на фиксированном расстоянии от объектива. Наименьшая точка, которая может быть разрешена объективом, пропорциональна длине волны собираемого света, деленной на число числовой апертуры. Следовательно, большее число соответствует большей способности линзы определять отличную точку в поле обзора.Числовая апертура объектива также зависит от величины коррекции оптической аберрации.

Разрешающая способность объектива телескопа

Подобно световой воронке, телескоп способен собирать свет пропорционально площади отверстия, это свойство является основной линзы.

Диаметр темного адаптированного зрачка человеческого глаза составляет чуть менее 1 сантиметра, а диаметр крупнейшего оптического телескопа составляет 1000 сантиметров (10 метров), так что самый большой телескоп в один миллион раз по площади сбора больше человеческого глаза.

Поэтому телескопы видят более слабые объекты, чем люди. И имеют приборы, которые накапливают свет, используя электронные датчики обнаружения в течение многих часов.

Существует два основных типа телескопа: рефракторы на основе линз и отражатели на основе зеркал. Большие телескопы — это отражатели, потому что зеркала не должны быть прозрачными. Зеркала телескопа — одни из наиболее точных конструкций. Разрешенная ошибка на поверхности равна примерно 1/1000 ширине человеческого волоса — через 10-метровое отверстие.

Раньше зеркала были сделаны из огромных толстых стеклянных плит, чтобы они не провисали. Сегодняшние зеркала тонкие и гибкие, но поддерживаются компьютерным управлением или иначе сегментируются и выравниваются с его помощью. Кроме задачи поиска слабых объектов, цель астронома также заключается в том, чтобы видеть их мелкие детали. Степень, в которой детали могут быть распознаны, называется разрешением:

• Нечеткие изображения = плохое разрешение.
• Четкие изображения = хорошее разрешение.

Из-за волновой природы света и явлений, называемых дифракцией, диаметр зеркала или линзы телескопов ограничивает ее предельную разрешающую способность по отношению к диаметру телескопа. При этом разрешение означает наименьшую угловую деталь, которая может быть распознана. Маленькие значения его соответствуют отличной детализации изображения.

Радио телескопы должны быть очень большими, чтобы обеспечить хорошее разрешение. Атмосфера Земли является турбулентной и размывает изображения телескопа. Земные астрономы редко могут достичь предельной разрешающей способности аппарата.Турбулентный эффект атмосферы на звезде называется видением. Эта турбулентность заставляет звезды «мерцать». Чтобы избежать этих атмосферных размытых объектов, астрономы запускают телескопы в космос или помещают на высокие горы со стабильными атмосферными условиями.

Примеры расчета параметров

Данные для определения разрешающей способности объектива Canon:

1. Размер пикселя = 3,45 мкм x 3,45 мкм.
2. Количество пикселей (H x V) = 2448 x 2050.
3. Желаемое поле зрения (по горизонтали) = 100 мм.
4. Ограничение разрешения датчика:1000/2х3,45=145 lp / mm.
5. Датчик Размеры:3,45Х2448/1000=8,45 mm3,45Х2050/1000=7,07 мм.
6. PMAG:8,45/100=0,0845 мм.
7. Измерение разрешающей способности объективов:145 х 0,0845 =12,25 lp/mm.

На самом деле эти расчеты довольно сложные, но они помогут создавать изображение на основе размера датчика, формата пикселя, рабочего расстояния и поля зрения в мм. Вычисление этих значений определит лучший объектив для изображений и приложения.

Проблемы современной оптики

К сожалению, удвоение размера сенсора создает дополнительные проблемы для линз. Одним из основных параметров, влияющих на стоимость объектива изображений, является формат. Проектирование объектива для более крупноформатного датчика требует многочисленных отдельных оптических компонентов, которые должны быть больше, а перенос системы — более жестким.

Объектив, предназначенный для 1-дюймового датчика, может стоить в пять раз больше, чем объектив, предназначенный для датчика ½ «, даже если он не может использовать те же характеристики с ограниченным разрешением в пикселях. Стоимостную составляющую нужно учитывать перед тем, как определить разрешающую способность объектива.

Сегодня оптическая обработка изображений сталкивается с большими проблемами, чем десять лет назад. Датчики, с которыми они используются, имеют гораздо более высокие требования к разрешению, а размеры форматов одновременно управляются как меньшими, так и большими, в то время как размер пикселей продолжает сокращаться.

В прошлом оптика никогда не ограничивала систему обработки изображений, сегодня она это делает. Там, где типичный размер пикселя составляет около 9 мкм, гораздо более распространенный размер составляет около 3 мкм. Это увеличение плотности точек в 81 раз не прошло бесследно для оптики, и, хотя большинство из устройств хорошие, процесс выбора объективов сейчас более важен, чем когда-либо раньше.

fb.ru

Разрешающая способность объектива

17

Каждый объектив характеризуется определенной разрешающей способностью, фокусным расстоянием (глубиной резкости) и увеличением.

Разрешающая способность объектива микроскопа (d) — наименьший диаметр частицы, которую можно увидеть при данном объективе, или то наименьшее расстояние между двумя линиями, при котором они видны как отдельные. Разрешающая способность объектива микроскопа зависит от значений нумерической (числовой) апертуры (A) объектива и конденсора и длины волны источника света (λ ). Для пучка лучей, параллельных оптической оси микроскопа,

разрешающую способность объектива микроскопа определяют по формуле d = λ/A

Для наклонных лучей разрешающая способность в 2 раза выше: d = λ/2A,

где λ – длина волны, нм; А – числовая апертура объектива.

Длина волны лучей источника света в видимой части спектра может меняться от 0,4 мкм (400 нм) для фиолетовых лучей до 0,7 мкм (700 нм) для красных. Следовательно, чем короче длина волны лучей источника света и чем больше апертура объектива, тем выше разрешающая способность объектива микроскопа, т. е. тем более тонкие структуры мы сможем увидеть в микроскоп.

При освещении объекта наклонными лучами разрешающая способность объектива микроскопа в 2 раза выше, чем при освещении прямо падающими лучами. Освещая препарат синими лучами (λ = 0,47 мкм), т. е. применяя в осветителе синий светофильтр, можно изучать более тонкие структуры, чем при освещении обычным белым светом.

Пример: для объектива с A =1,4 при освещении белым светом (λ = 0,55

мкм) диаметр наименьшей видимой частицы при прямо падающем свете равен

0,39 мкм, при косом освещении – 0,20 мкм, а при освещении синим светом –

0,34 и 0,17 мкм, соответственно. Максимальное разрешение, которое можно получить при использовании светового микроскопа, 0,20 – 0,35 мкм. Увеличить разрешающую способность можно при использовании ультрафиолетового света

18

(длина волны 0,26 – 0,28 мкм), что позволяет получить разрешение 0,13 – 0,14

мкм.

Числовая апертура объектива

Числовая, или нумерическая, апертура (А) объектива характеризует светособирательную способность и определяется по формуле

A= n∙sinα,

где n – показатель преломления среды между фронтальной линзой объектива и покровным стеклом; α – половинный угол входного отверстия объектива

(угол, одна сторона которого совпадает с оптической осью, другая образована линией, соединяющей точку выхода лучей из объектива с границей действующего отверстия объектива) (Рис. 2).

Рис. 2. Угол отверстия объектива микроскопа: Об – объектив; Кн – конденсор;

Р – плоскость препарата; F – фронтальная плоскость; α – угол отверстия объектива

Общее увеличение микроскопа

Увеличение объектива указано на оправе, там же указана и числовая апертура. Конденсоры тоже имеет определенную числовую апертуру. Если апертура конденсора меньше апертуры объектива, то возможности объектива,

таким образом, используются в работе неполностью.

19

Общее увеличение микроскопа определяется как произведение увеличения объектива (V об) на увеличение окуляра(V ок):

V= Vоб · Vок .

Если объектив имеет увеличение 90х, а окуляр 15х, то общее увеличение равно

1350. Увеличения, превышающие эту величину, не имеют значения и их называют бесполезными и это связано с тем, что структуру препарата окуляр может увеличить настолько, чтобы она просматривалась под тем же углом зрения, что и в объективе. Это увеличение называется полезным, и оно равно

1000 А. Расчеты показывают, что полезное увеличение не может превышать

1300 –1450 раз. Большее увеличение не выявляет новых деталей на изображении, а освещенность его становится меньше.

Глубина резкости изображения

Глубина резкости изображения (глубина фокуса) – способность объектива одновременно давать резкие изображения точек, находящихся от него на разном расстоянии, или глубина препарата, видимая одновременно резко. Она зависит от увеличения микроскопа и апертуры объектива. Каждый объектив позволяет видеть препарат на определенную глубину в одной плоскости. На большом увеличении необходимо поочередно фокусировать объектив в разных плоскостях. На малых увеличениях и малой апертуре глубина резкости больше, чем при больших увеличениях. Показатель глубины резкости следует особенно учитывать при микрофотографии, когда необходимо четко видеть изображение объекта в одной плоскости зрения. Её определяют по формуле:

T = (1000/7A∙V)+(λ/2A2) , где

А – апертура, V – увеличение микроскопа, λ – длина волны.

При небольших увеличениях и малой апертуре глубина резкости больше,

чем при больших увеличениях и высокой апертуре.

Качество микроскопа определяется не увеличением, а разрешающей способностью оптических устройств.

В случае сухих объективов (без использования жидких сред – иммерсии)

20

коэффициент преломления равен единице (п = 1) и A < 0,95.

При иммерсионной системе у объектива микроскопа пространство между фронтальной линзой и рассматриваемым предметом заполнено жидкостью с более высоким показателем преломления, чем воздух. Для иммерсионных объективов нумерическая апертура зависит от показателя преломления жидкости, находящейся между препаратом и объективом. Поэтому для водно-иммерсионных объективов

A меньше либо равно 1,25 (вода имеет n = 1,33), а для масляно-иммерсионных объективов A меньше либо равно 1,4 (кедровое масло имеет n = 1,515). На рисунке 3 представлен ход лучей при использовании масляной иммерсии и сухого объектива.

Рис. 3. Сравнение хода лучей при использовании сухого (слева) и

иммерсионного масляного (справа) объективов Как видно из этого рисунка, в сухой системе некоторая часть лучей не

попадает в объектив, так как при выходе из покровного стекла, они отклоняются.

Лучи, которые в месте выхода к поверхности стекла образуют угол больше 41о (предельный угол), полностью отражаются. Для стекла и воды предельный угол равен 41°, для кедрового масла и стекла он не существует по причине равенства показателей их преломления. Для улучшения качества изображения часто применяется полная иммерсия, когда иммерсионную жидкость наносят и на конденсор.

studfile.net

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: 1,13² = 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 1,37² = 1,86 раза. Очень хорошо!

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

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

Еще больше?

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

www.2001photo.com

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

dic.academic.ru

Практические применения

11

Лекция 6

Дифракция света

Вопросы

1. Дифракция на пространственной решетке. Формула Вульфа-Брэггов.

2. Разрешающая способность оптических приборов.

2.1. Разрешающая способность объектива.

2.2. Разрешающая способность дифракционной решетки.

3. Понятие о голографии.

1. Дифракция на пространственной решетке.

Формула Вульфа-Брэггов

Для наблюдения дифракционной картины необходимо, чтобы постоянная решетки и длина волны были одного порядка. Кристаллы имеют постоянную решетки и для дифракции в видимом свете () не пригодны. Однако дифракция в диапазоне рентгеновского излучения () возможна.

Метод расчета дифракции рентгеновского излучения предложен советским физиком Вульфом (1863-1925 г.) и английскими физиками  отцом (1862-1942 г.) и сыном (1890-1971 г.) Брэггами.

Монохроматические лучи 1, 2 падают на металл под углом скольжения .

Угол скольжения   угол между направлением падающих лучей и кристаллографической плоскостью.

1, 2  когерентные вторичные волны, интерферирующие между собой как на щели дифракционной решетки при оптической разности хода  = 2dsin.

Максимумы интенсивности в тех направлениях, куда отраженные волны приходят в одинаковой фазе:

(1)

Формула Вульфа-Брэггов (1): разность хода между двумя лучами, отраженными от соседних кристаллографических плоскостей, кратна целому числу длин волн, при этом наблюдается дифракционный максимум.

1. Метод рентгеноструктурного анализа: по заданным значениям  и m можно найти межплоскостное расстояние d, т.е. определить структуру металла. При дифракции электронов  электронография; при дифракции нейтронов  нейтронография.

2. Метод рентгеновской спектроскопии: по известным значениям d , , и m находят длину волны  падающего неизвестного излучения.

2. Разрешающая способность оптических приборов

Рис. 2. Дифракционное изображение точечного источника (дифракция на круглом отверстии). В центральное пятно попадает приблизительно 85 % энергии света.

Даже для идеальных приборов (отсутствуют дефекты и аберрации) невозможно получить стигматическое изображение точечного источника из-за дифракции.

Размер дифракционных изображений очень мал. Например, радиус центрального светлого пятна в фокальной плоскости линзы диаметром D = 5 см с фокусным расстоянием F = 50 см в монохроматическом свете с длиной волны λ = 500 нм приблизительно равен 0,006 мм. Но в высокоточных астро­но­ми­ческих приборах реализуется дифракци­он­ный предел качества изо­бра­же­ний. Вслед­ствие дифракционного размытия изобра­жения двух близких точек объекта могут оказаться неотличимыми от изо­бра­же­ния одной точки.

Критерий Рэлея

Изображения двух одинаковых близ­лежащих точечных источ­ни­ков разрешимы (разделены для вос­приятия), если центральный мак­симум дифракционной кар­ти­ны от одного источника совпадает с первым минимумом дифра­кци­он­ной картины от другого.

По критерию Рэлея интен­сив­ность «провала» между макси­му­мами составляет 80% интен­сив­но­сти в максимуме.

1. Разрешающая способность объектива

Рис. 4. Дифракционные изображения двух близких звезд в фокальной плоскости объектива телескопа

Рассмотрим в качестве примера объектив астрономического телескопа, нацеленного на две близкие звезды, находящиеся на угловом расстоянии ψ друг от друга. В фокальной плоскости объектива диаметром D наблюдаются дифракционные изображения звезд. Расстояние Δl между центрами дифракционных изображений звезд должно удовлетворять критерию Рэлея:

. (2)

Разрешающей способностью (разрешающей силой) объектива называется величина, обратная минимальному угловому расстоянию

, (3)

т.е. для увеличения разрешающей способности телескопа следует увеличивать диаметр объектива, либо переходить к более коротким волнам (ультрафиолетовым, потоку электронов).

Космический телескоп Хаббла, выведенный на орбиту в 1990 году, имеет зеркало диаметром D = 2,40 м. Предельное угловое разрешение этого телескопа по длине волны λ = 550 нм равно: ψ_min = 2,8·10^–7 рад. На работу космического телескопа не оказывают влияния атмосферные возмущения.

Оценим разрешающую способность глаза. Глаз при рассматривании удаленных предметов действует так же, как и объектив телескопа. Роль D играет диаметр зрачка глаза d_зр. Полагая d_зр = 3 мм, λ = 550 нм, найдем для предельного углового разрешения глаза, удаленного от предмета на расстоянии F  25 см

.

studfile.net

Характеристики объективов

Для выбора объектива вам нужно ориентироваться характеристиках. Мы расскажем что означают характеристики объектива и на какие из них особенно важно обратить внимание.

Фокусное расстояние

От фокусного расстояние зависит, что поместится в вашем кадре. Чем меньше будет фокусное расстояние (например 18 мм) тем шире угол обзора и тем больше объектов вы сможете поместить в кадре.

Но, от фокусного расстояния так же зависят искажения перспективы в кадре. При маленьком фокусном расстоянии объекты могут исказиться. Считается, что фокусное расстояние, которое максимально близко к тому, как видит мир человек — 50 мм.

Исходя из фокусного расстояния объективы делятся на следующие типы:

• Сверхширокоугольные — от 7 мм (циркулярный рыбий глаз) до 24 мм
  • Объективы с данными фокусными расстояниями сильно искажают изображение «растягивая» перспективу. Используются для съёмки в ограниченных пространствах и интерьерах и других ситуациях, где нужно охватить максимальный угол зрения. Например, 14 мм часто используется в пейзаже. Размыть фон очень сложно.
• Широкоугольные — от 24 до 35 мм
  • Искажения здесь заметно меньше, как и угол охвата. Этот диапазон считается удобным для стрит-фотографии и жанра. Так же подходит для съёмки пейзажа и групповых портретов.
• Нормальные — от 35 до 85 мм.
  • Можно снимать ростовые портреты и пейзаж. Не подходит для съёмки крупных портретов, так как искажает пропорции лица.
• Длиннофокусные (телеобъективы) — от 85 мм
  • Начиная с 85 мм искажений перспективы практически не наблюдается. Для портрета считается идеальным диапазон 85-135 мм. После 135 мм пространство сжимается, что так же искажает портрет.
    Длиннофокусными объективами так же снимают дикую природу, спорт и всё к чему сложно подобраться. Чем выше фокусное расстояние, тем сильнее размывается фон, при прочих равных.

Искажение пропорций лица на разных фокусных расстояниях хорошо показано ниже. Обратите внимание на то, что на 200 мм пространство сильно сжимается, что снова искажает изображение лица.

Пример ниже показывает как сжимается перспектива при разных фокусных расстояниях:

Фокусное расстояние на объективе указывается для полнокадровой матрицы. На других матрицах изображение будет просто обрезано, а фокусное расстояние пересчитывается.

Например, если у вас APS-C матрица, ваш кроп-фактор будет 1,5 — 1,6х. Если формат микро 4/3, то 2х.

Пересчет фокусного расстояния даст понять насколько вы можете «приблизить объект». Но искажения никуда не денутся и 50мм в пересчете станет почти портретным  фокусным 75мм, но с теми же искажениями.

Максимальная диафрагма

Это максимально возможное значение диафрагмы для данного объектива. Для зум-объективов часто указывают диапазон максимально возможной диафрагмы. Например, f/3.5-5.6 для объектива с фокусным расстоянием 18-105 мм означает, что на 18мм максимальная диафрагма будет f/3.5, а на 105мм — f/5.6.

Как вы знаете, чем меньше значение диафрагмы, тем меньше глубина резкости и тем больше размывается фон. Максимальное качество картинки все объективы показывают на средних значениях диафрагмы f/8 — f/11.

Светосила

Это показатель максимальной диафрагмы объектива и качества оптики. Чем меньше число f (например f/1.4), тем более светосильный объектив.

В светосильных объективах используется высококачественные стекла и специальные просветляющие покрытия, уменьшающие переотражения. Поэтому, светосильные объективы априори считаются очень качественными.

Ручная и автоматическая фокусировка

Большая часть объективов выпускаются с автофокусом. Исключение – объективы Carl Zeiss, Samyang и других сторонних производителей, которые выпускают не автофокусные объективы.

Старые объективы, которые можно найти в комиссионных отделах фотомагазина так же не автофокусные. Не автофокусные объективы имеют свои преимущества. Это цена и индивидуальный рисунок и боке.

Минимальная дистанция фокусировки

Тут все просто — это минимальная дистанция до объекта съемки, необходимая объективу для фокусировки. Важен один момент — это расстояние отсчитывается от матрицы камеры, на корпусе камеры эта точка отмечена.

Конструкция фокусировки

Есть два типа конструкции фокусировки объектива — внешняя и внутренняя. При внешней фокусировки, некоторые внешние части объектива могут двигаться (например выезжать вперед).

Внутренняя фокусировка означает, что при фокусировке не вращаются внешние детали объектива. Соответственно при съемке можно смело держаться за объектив, а так же использовать поляризационный фильтр, так как передний элемент объектива не вращается при фокусировке.

Диаметр резьбы для светофильтра

Эта характеристика указывается на объективе и показывает, фильтры какого диаметра можно использовать с этим объективом.

Вес

Как правило вес объектива варьируется от 400 до 800 грамм. Есть конечно более легкие фиксы 50мм весом 200 грамм и тяжелые телевики 1500 грамм.

Сам по себе вес не играет роли. Но при прочих равных лучше выбрать более легкий объектив. Опыт показывает, что в конце активного съемочного дня даже мужчина устает держать камеру с тяжелым объективом. Ну а девушка, сами понимаете, устанет еще сильнее.

Так же камеру с более легким объективом удобнее держать одной рукой, например, когда вы вторая рука занята внешней вспышкой.

Система стабилизации изображения

Стабилизатор компенсирует мелкую вибрацию при съёмке и позволяет получить резкие кадры. Это актуально для съёмки с низкой освещенностью, когда выдержка становится короткой, а так же при съёмке на длинных фокусных расстояниях — 100мм и более.

Объективы со стабилизатором дороже, но при выборе основного объектива желательно  выбрать модель со стабилизатором.

Если у вас стабилизатор встроен в камеру, то как правило эффект от совместной работы двух стабилизаторов усиливается.

Разрешающая способность объектива

Этой характеристики вы не найдете в описании объектива в магазине. Но вы должны понимать что это и для чего нужно.

Разрешающая способность отражает детализацию изображения, передаваемого объективом. Измеряется в количестве линий, которое объектив может спроецировать на миллиметр матрицы (или пленки). Соответственно чем больше линий, тем более детальное изображение вы получите.

Этот параметр актуален для матриц с разрешением 40 мегапикселей и выше. Для меньшего подходят почти все относительно современные объективы.

Рисунок

Так говорят о картинке, которая получается с тем или иным объективом. У каждого объектива картинка своя и её возможно описать лишь по субъективным ощущения — резкая/не резкая, рыхлая и т.п. Так же у рисунка объективов различаются Боке.

Боке

Это рисунок, который создается объективом в зоне нерезкости. Чем больше открыта диафрагма, тем сильнее боке. Каждая модель объектива имеет свое индивидуальное боке.

Знания характеристик объектива поможет вам выбрать именно ту оптику, которая вам нужна. Но при покупке объектива, важно обратить внимание на возможные дефекты оптики. О них читайте в нашей статье — «Оптические дефекты изображения«

fototips.ru