Độ phân giải là khả năng của hệ thống hình ảnh tái tạo các chi tiết của một đối tượng và phụ thuộc vào các yếu tố như loại ánh sáng được sử dụng, kích thước pixel của cảm biến và khả năng của quang học. Chi tiết của đối tượng càng nhỏ thì độ phân giải yêu cầu của ống kính càng cao.
Giới thiệu về quy trình giải quyết
Chất lượng hình ảnh của máy ảnh phụ thuộc vào cảm biến. Nói một cách đơn giản, cảm biến hình ảnh kỹ thuật số là một con chip bên trong thân máy ảnh có chứa hàng triệu điểm nhạy sáng. Kích thước cảm biến của máy ảnh xác định lượng ánh sáng có thể được sử dụng để tạo ra hình ảnh. Cảm biến càng lớn, chất lượng hình ảnh càng tốt vì thu thập được nhiều thông tin hơn. Thông thường, máy ảnh kỹ thuật số quảng cáo trên thị trường cho các kích thước cảm biến 16mm, Super 35mm, và đôi khi lên đến 65mm.
Khi kích thước của cảm biến tăng lên, độ sâu trường ảnh sẽ giảm ở một khẩu độ nhất định, vì đối tác lớn hơn yêu cầu bạn tiến gần hơn đếnhoặc sử dụng độ dài tiêu cự dài hơn để lấp đầy khung hình. Để duy trì cùng độ sâu trường ảnh, người chụp phải sử dụng khẩu độ nhỏ hơn.
Độ sâu trường ảnh nông này có thể là mong muốn, đặc biệt là để làm mờ hậu cảnh khi chụp chân dung, nhưng chụp ảnh phong cảnh đòi hỏi độ sâu hơn, dễ chụp hơn với kích thước khẩu độ linh hoạt của máy ảnh nhỏ gọn.
Việc phân chia số lượng pixel theo chiều ngang hoặc chiều dọc trên cảm biến sẽ cho biết lượng không gian mà mỗi pixel chiếm trên một đối tượng và có thể được sử dụng để đánh giá khả năng phân giải thấu kính và giải quyết mối lo ngại của khách hàng về kích thước pixel hình ảnh kỹ thuật số của thiết bị. Khi bắt đầu, điều quan trọng là phải hiểu những gì thực sự có thể hạn chế độ phân giải của hệ thống.
Câu nói này có thể được chứng minh bằng ví dụ về một cặp hình vuông trên nền trắng. Nếu các hình vuông trên cảm biến máy ảnh được ánh xạ tới các pixel lân cận, thì chúng sẽ xuất hiện dưới dạng một hình chữ nhật lớn trong ảnh (1a) chứ không phải là hai hình vuông riêng biệt (1b). Để phân biệt các ô vuông, giữa chúng cần có một khoảng trống nhất định, ít nhất là một pixel. Khoảng cách tối thiểu này là độ phân giải tối đa của hệ thống. Giới hạn tuyệt đối được xác định bởi kích thước của các pixel trên cảm biến, cũng như số lượng của chúng.
Đo đặc tính của thấu kính
Mối quan hệ giữa các ô vuông đen và trắng xen kẽ được mô tả như một cặp tuyến tính. Thông thường, độ phân giải được xác định bởi tần số,được đo bằng cặp vạch trên milimét - lp / mm. Thật không may, độ phân giải ống kính tính bằng cm không phải là một con số tuyệt đối. Ở một độ phân giải nhất định, khả năng xem hai hình vuông là các đối tượng riêng biệt sẽ phụ thuộc vào mức thang màu xám. Khoảng cách thang màu xám giữa chúng và không gian càng lớn thì khả năng phân giải các ô vuông này càng ổn định. Sự phân chia này của thang màu xám được gọi là độ tương phản tần số.
Tần số không gian được tính bằng lp / mm. Vì lý do này, việc tính toán độ phân giải theo lp / mm là cực kỳ hữu ích khi so sánh các ống kính và xác định lựa chọn tốt nhất cho các cảm biến và ứng dụng nhất định. Đầu tiên là nơi bắt đầu tính toán độ phân giải hệ thống. Bắt đầu với cảm biến, việc xác định thông số kỹ thuật ống kính nào là cần thiết để đáp ứng các yêu cầu của thiết bị hoặc các ứng dụng khác sẽ dễ dàng hơn. Tần số cao nhất được cảm biến cho phép, Nyquist, thực tế là hai pixel hoặc một cặp dòng.
Độ phân giải thấu kính định nghĩa, còn được gọi là độ phân giải không gian hình ảnh hệ thống, có thể được xác định bằng cách nhân kích thước tính bằng Μm với 2 để tạo một cặp và chia cho 1000 để chuyển đổi thành mm:
lp / mm=1000 / (2 X pixel)
Cảm biến có pixel lớn hơn sẽ có giới hạn độ phân giải thấp hơn. Cảm biến có điểm ảnh nhỏ hơn sẽ hoạt động tốt hơn theo công thức độ phân giải ống kính ở trên.
Vùng cảm biến hoạt động
Bạn có thể tính toán độ phân giải tối đa cho đối tượngđang xem. Để làm được điều này, cần phải phân biệt giữa các chỉ số như tỷ lệ giữa kích thước của cảm biến, trường nhìn và số lượng điểm ảnh trên cảm biến. Kích thước của cảm biến sau đề cập đến các thông số của vùng hoạt động của cảm biến máy ảnh, thường được xác định bởi kích thước định dạng của nó.
Tuy nhiên, tỷ lệ chính xác sẽ thay đổi theo tỷ lệ khung hình và kích thước cảm biến danh nghĩa chỉ nên được sử dụng làm hướng dẫn, đặc biệt là đối với ống kính viễn tâm và độ phóng đại cao. Kích thước cảm biến có thể được tính trực tiếp từ kích thước pixel và số pixel hoạt động để thực hiện kiểm tra độ phân giải ống kính.
Bảng hiển thị giới hạn Nyquist liên quan đến kích thước pixel được tìm thấy trên một số cảm biến được sử dụng rất phổ biến.
| Kích thước điểm ảnh (µm) | Giới hạn Nyquist được ghép nối (lp / mm) |
| 1, 67 | 299, 4 |
| 2, 2 | 227, 3 |
| 3, 45 | 144, 9 |
| 4, 54 | 110, 1 |
| 5, 5 | 90, 9 |
Khi kích thước pixel giảm, giới hạn Nyquist liên quan tính bằng lp / mm sẽ tăng tương ứng. Để xác định điểm có thể phân giải tối thiểu tuyệt đối có thể nhìn thấy trên một đối tượng, tỷ lệ của trường nhìn với kích thước của cảm biến phải được tính toán. Điều này còn được gọi là tăng chính.(PMAG) hệ thống.
Mối quan hệ liên kết với hệ thống PMAG cho phép mở rộng độ phân giải không gian hình ảnh. Thông thường, khi thiết kế một ứng dụng, nó không được chỉ định bằng lp / mm, mà là đơn vị micromet (µm) hoặc phần nhỏ của inch. Bạn có thể nhanh chóng chuyển đến độ phân giải cuối cùng của một đối tượng bằng cách sử dụng công thức trên để chọn độ phân giải ống kính z dễ dàng hơn. Cũng cần lưu ý rằng có nhiều yếu tố bổ sung và giới hạn ở trên ít gây ra lỗi hơn nhiều so với mức độ phức tạp của việc tính đến nhiều yếu tố và tính toán chúng bằng phương trình.
Tính độ dài tiêu cự
Độ phân giải của hình ảnh là số pixel trong đó. Được chỉ định theo hai thứ nguyên, ví dụ: 640X480. Các phép tính có thể được thực hiện riêng biệt cho từng thứ nguyên, nhưng để đơn giản, điều này thường được rút gọn thành một. Để thực hiện các phép đo chính xác trên hình ảnh, bạn cần sử dụng tối thiểu hai pixel cho mọi khu vực nhỏ nhất mà bạn muốn phát hiện. Kích thước của cảm biến liên quan đến một chỉ báo vật lý và theo quy luật, không được chỉ ra trong dữ liệu hộ chiếu. Cách tốt nhất để xác định kích thước của cảm biến là xem thông số pixel trên đó và nhân nó với tỷ lệ khung hình, trong trường hợp này, khả năng phân giải của ống kính sẽ giải quyết được các vấn đề của ảnh chụp xấu.
Ví dụ: máy ảnh Basler acA1300-30um có kích thước pixel là 3,75 x 3,75um và độ phân giải 1296 x 966 pixel. Kích thước cảm biến là 3,75 µm x 1296 x 3,75 µm x 966=4,86 x 3,62 mm.
Định dạng cảm biến đề cập đến kích thước vật lý và không phụ thuộc vào kích thước pixel. Cài đặt này được sử dụng choxác định ống kính máy ảnh tương thích với. Để chúng khớp với nhau, định dạng ống kính phải lớn hơn hoặc bằng kích thước cảm biến. Nếu sử dụng ống kính có tỷ lệ cỡ ảnh nhỏ hơn, hình ảnh sẽ bị làm mờ. Điều này khiến các vùng của cảm biến bên ngoài rìa của định dạng ống kính trở nên tối.
Điểm ảnh và lựa chọn máy ảnh
Để nhìn thấy các đối tượng trong ảnh, giữa chúng phải có đủ khoảng trống để chúng không bị hợp nhất với các pixel lân cận, nếu không sẽ không thể phân biệt được chúng với nhau. Nếu các đối tượng mỗi đối tượng là một pixel, thì khoảng cách giữa chúng cũng phải có ít nhất một phần tử, nhờ đó mà hình thành một cặp đường thẳng, thực sự có kích thước hai pixel. Đây là một trong những lý do khiến việc đo độ phân giải của máy ảnh và ống kính bằng megapixel là không chính xác.
Thực sự dễ dàng hơn để mô tả khả năng phân giải của một hệ thống về tần số cặp dòng. Tiếp theo là khi kích thước pixel giảm, độ phân giải tăng lên vì bạn có thể đặt các vật thể nhỏ hơn lên các phần tử kỹ thuật số nhỏ hơn, có ít khoảng trống hơn giữa chúng và vẫn giải quyết được khoảng cách giữa các chủ thể bạn chụp.
Đây là mô hình đơn giản hóa cách cảm biến của máy ảnh phát hiện các vật thể mà không tính đến nhiễu hoặc các thông số khác và là tình huống lý tưởng.
Biểu đồ tương phản MTF
Hầu hết các ống kính không phải là hệ thống quang học hoàn hảo. Ánh sáng đi qua thấu kính trải qua một mức độ suy giảm nhất định. Câu hỏi là làm thế nào để đánh giá điều nàysuy thoái? Trước khi trả lời câu hỏi này, cần xác định khái niệm "điều chế". Sau đó là một phép đo độ tương phản len ở một tần số nhất định. Người ta có thể cố gắng phân tích các hình ảnh trong thế giới thực được chụp qua một ống kính để xác định điều biến hoặc độ tương phản cho các chi tiết có kích thước hoặc tần số khác nhau (khoảng cách), nhưng điều này rất phi thực tế.
Thay vào đó, việc đo điều chế hoặc độ tương phản đối với các cặp vạch trắng và tối xen kẽ sẽ dễ dàng hơn nhiều. Chúng được gọi là mạng tinh thể hình chữ nhật. Khoảng các dòng trong cách tử sóng hình chữ nhật là tần số (v), mà chức năng điều biến hoặc tương phản của thấu kính và độ phân giải được đo bằng cm.
Lượng ánh sáng tối đa sẽ đến từ các dải sáng và tối thiểu từ các dải tối. Nếu ánh sáng được đo bằng độ sáng (L), thì điều chế có thể được xác định theo phương trình sau:
điều chế=(Lmax - Lmin) / (Lmax + Lmin), trong đó: Lmax là độ sáng tối đa của các vạch trắng trong cách tử và Lmin là độ sáng tối thiểu của các vạch tối.
Khi điều chế được định nghĩa về ánh sáng, nó thường được gọi là độ tương phản Michelson vì nó lấy tỷ lệ độ chói từ dải sáng và dải tối để đo độ tương phản.
Ví dụ: có một cách tử sóng vuông có tần số nhất định (v) và cách điều biến, và độ tương phản vốn có giữa các vùng tối và sáng được phản xạ từ cách tử này qua thấu kính. Điều chế hình ảnh và do đó độ tương phản của thấu kính được đo ở một tần số nhất địnhthanh (v).
Hàm truyền điều chế (MTF) được định nghĩa là điều chế Micủa hình ảnh chia cho điều chế của kích thích (đối tượng) Mo, như thể hiện trong phương trình sau.
|
MTF (v)=Mi/ M0 |
USF được in trên giấy laser sáng 98%. Mực máy in laser đen có độ phản xạ khoảng 10%. Vì vậy, giá trị của M0là 88%. Nhưng vì phim có dải động hạn chế hơn so với mắt người, nên có thể an toàn khi giả định rằng M0về cơ bản là 100% hoặc 1. Vì vậy, công thức trên tóm tắt lại thành phần sau phương trình đơn giản:
|
MTF (v)=Mi |
Vì vậy, MTF len đối với một tần số cách tử cho trước (v) chỉ đơn giản là điều chế cách tử đo được (Mi) khi được chụp qua một thấu kính lên phim.
Độ phân giải kính hiển vi
Độ phân giải của vật kính hiển vi là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm phân biệt trong trường nhìn của thị kính mà vẫn có thể phân biệt được là các vật thể khác nhau.
Nếu hai điểm gần nhau hơn độ phân giải của bạn, chúng sẽ có vẻ mờ và vị trí của chúng sẽ không chính xác. Kính hiển vi có thể có độ phóng đại cao, nhưng nếu thấu kính có chất lượng kém, độ phân giải kém sẽ làm giảm chất lượng hình ảnh.
Dưới đây là phương trình Abbe, nơi phân giảicông suất của vật kính hiển vi z là công suất phân giải bằng bước sóng của ánh sáng được sử dụng chia cho 2 (khẩu độ số của vật kính).
Một số yếu tố ảnh hưởng đến độ phân giải của kính hiển vi. Kính hiển vi quang học được đặt ở độ phóng đại cao có thể tạo ra hình ảnh bị mờ nhưng vẫn ở độ phân giải tối đa của thấu kính.
Khẩu độ kỹ thuật số của ống kính ảnh hưởng đến độ phân giải. Khả năng phân giải của vật kính hiển vi là một số cho biết khả năng thu ánh sáng và phân giải của một điểm cách vật kính ở một khoảng cách cố định. Điểm nhỏ nhất mà thấu kính có thể phân giải được tỷ lệ với bước sóng của ánh sáng thu được chia cho số khẩu độ. Do đó, một con số lớn hơn tương ứng với khả năng ống kính phát hiện ra một điểm tuyệt vời hơn trong trường nhìn. Số khẩu độ của ống kính cũng phụ thuộc vào số lượng hiệu chỉnh quang sai.
Độ phân giải của ống kính thiên văn
Giống như một cái phễu ánh sáng, kính thiên văn có thể thu thập ánh sáng tương ứng với diện tích của lỗ, tính chất này là thấu kính chính.
Đường kính của con ngươi thích nghi tối của mắt người chỉ dưới 1 cm và đường kính của kính thiên văn quang học lớn nhất là 1.000 cm (10 mét), do đó kính thiên văn lớn nhất lớn hơn một triệu lần trong bộ sưu tập khu vực hơn mắt người.
Đây là lý do tại sao kính thiên văn nhìn thấy các vật thể mờ hơn con người. Và có các thiết bị tích tụ ánh sáng bằng cách sử dụng cảm biến phát hiện điện tử trong nhiều giờ.
Có hai loại kính thiên văn chính: khúc xạ dựa trên thấu kính và gương phản xạ dựa trên gương. Kính thiên văn lớn là vật phản xạ vì gương không nhất thiết phải trong suốt. Gương kính thiên văn là một trong những thiết kế chính xác nhất. Sai số cho phép trên bề mặt là khoảng 1/1000 chiều rộng của sợi tóc người - qua một lỗ 10 mét.
Gương thường được làm từ những tấm kính dày rất lớn để giữ cho chúng không bị chảy xệ. Gương ngày nay mỏng và linh hoạt, nhưng được điều khiển bằng máy tính hoặc cách khác được phân đoạn và căn chỉnh bằng điều khiển máy tính. Ngoài nhiệm vụ tìm kiếm những vật thể mờ nhạt, mục tiêu của nhà thiên văn học còn là xem những chi tiết nhỏ của chúng. Mức độ mà các chi tiết có thể được nhận dạng được gọi là độ phân giải:
- Hình ảnh mờ=độ phân giải kém.
- Hình ảnh rõ nét=độ phân giải tốt.
Do bản chất sóng của ánh sáng và hiện tượng gọi là nhiễu xạ, đường kính của gương hoặc thấu kính của kính thiên văn giới hạn độ phân giải cuối cùng của nó so với đường kính của kính thiên văn. Độ phân giải ở đây có nghĩa là chi tiết góc cạnh nhỏ nhất có thể được nhận ra. Giá trị nhỏ tương ứng với chi tiết hình ảnh tuyệt vời.
Kính thiên văn vô tuyến phải rất lớn để cung cấp độ phân giải tốt. Bầu khí quyển của trái đất lànhiễu loạn và làm mờ hình ảnh kính thiên văn. Các nhà thiên văn học trên cạn hiếm khi có thể đạt được độ phân giải tối đa của bộ máy. Hiệu ứng hỗn loạn của khí quyển lên một ngôi sao được gọi là tầm nhìn. Sự nhiễu loạn này khiến các ngôi sao "lấp lánh". Để tránh những vệt mờ khí quyển này, các nhà thiên văn phóng kính thiên văn vào không gian hoặc đặt chúng trên những ngọn núi cao với điều kiện khí quyển ổn định.
Ví dụ về tính toán tham số
Dữ liệu để xác định độ phân giải ống kính Canon:
- Kích thước pixel=3,45 µm x 3,45 µm.
- Điểm ảnh (H x V)=2448 x 2050.
- Trường nhìn mong muốn (ngang)=100 mm.
- Giới hạn độ phân giải của cảm biến: 1000 / 2x3, 45=145 lp / mm.
- Kích thước cảm biến: 3,45x2448 / 1000=8,45 mm3, 45x2050 / 1000=7,07 mm.
- PMAG: 8, 45/100=0,0845 mm.
- Độ phân giải ống kính đo: 145 x 0,0845=12,25 lp / mm.
Thực ra, những tính toán này khá phức tạp, nhưng chúng sẽ giúp bạn tạo ra một hình ảnh dựa trên kích thước cảm biến, định dạng pixel, khoảng cách làm việc và trường nhìn tính bằng mm. Tính toán các giá trị này sẽ xác định ống kính tốt nhất cho hình ảnh và ứng dụng của bạn.
Vấn đề của quang học hiện đại
Thật không may, việc tăng gấp đôi kích thước của cảm biến sẽ tạo ra các vấn đề khác cho ống kính. Một trong những thông số chính ảnh hưởng đến giá thành của ống kính hình ảnh là định dạng. Thiết kế ống kính cho cảm biến định dạng lớn hơn yêu cầunhiều bộ phận quang học riêng lẻ, phải lớn hơn và việc truyền tải hệ thống cứng cáp hơn.
Một ống kính được thiết kế cho cảm biến 1 "có thể đắt gấp năm lần so với ống kính được thiết kế cho cảm biến ½", ngay cả khi nó không thể sử dụng cùng một thông số kỹ thuật với độ phân giải pixel hạn chế. Thành phần chi phí phải được xem xét trước khi để xác định khả năng phân giải của thấu kính.
Hình ảnh quang học ngày nay phải đối mặt với nhiều thách thức hơn một thập kỷ trước. Các cảm biến mà chúng được sử dụng có yêu cầu về độ phân giải cao hơn nhiều và kích thước định dạng được điều khiển đồng thời cả nhỏ hơn và lớn hơn, trong khi kích thước pixel tiếp tục thu nhỏ.
Trong quá khứ, quang học không bao giờ giới hạn hệ thống hình ảnh, ngày nay thì có. Trong đó kích thước pixel thông thường là khoảng 9 µm, kích thước phổ biến hơn nhiều là khoảng 3 µm. Mật độ điểm ảnh tăng 81 lần này đã ảnh hưởng đến quang học và mặc dù hầu hết các thiết bị đều tốt, nhưng việc lựa chọn ống kính giờ đây quan trọng hơn bao giờ hết.
