Разрешение объектива: Что такое Разрешающая способность, разрешающая сила

Содержание

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 1,18

2 = 1,4 раза. Очень не дурно… Собственно говоря, это всё, что мы сможем добиться от Canon 500D. Даже самая качественная оптика на этой фотокамере даёт схожие значения разрешающей силы. Например, очень резкий Canon EF 35mm f/2 USM IS, дает с нашей фотокамерой аж 2638 линий по высоте кадра (рис. 5), популярный Canon EF 50mm f/1.4 показал 2600 линий (рис. 6), а профессиональные зуммы показали результат, схожий с «любительским» Canon 17-85mm.

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

Хотим больше!

Canon EF 24-105mm f/4 USM L IS непафосный, но хороший объектив, рабочая лошадка профессионального фотографа. На камере с кропнутой 15-ти мегапиксельной матрице она дает нам 2488 линий по высоте кадра (рис. 7). Но на полноформатном Canon 5D Mk II он выдаст 3400(!) линий (рис. 8). То есть количество информации по всей площади кадра увеличится в 1,37

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.

Разрешение объектива | БИК Дом оптики

Часто в описании производителей в пункте разрешение указывается на сколько мегапикселей рассчитан объектив. Важно понимать, что под этим понимается разрешение не самого объектива, а камеры для которой может подойти данный объектив (1,2,3,4,5 мегапикселей и т.д.), разрешение самих объективов не измеряется в мегапикселях. Объектив, требуемый для мегапиксельной камеры сильно отличается от объектива для обычной аналоговой камеры. Мегапиксельные камеры выдают картинку с лучшей детализацией, так как размер пикселя у таких камер меньше,чем у аналоговых камер, и отраженный от объекта свет распределяется на большее число пикселей.Поэтому мегапиксельные камеры требуют применения объективов более высокого разрешения,при выборе объектива к своей телекамере нужно уделить особое внимание этому моменту.

Все объективы условно классифицируются по оптическому разрешению на стандартного разрешения (SR), высокого разрешения (HR), мегапиксельного разрешения (MPix)

Как же определить какое разрешение выдает объектив ? Для этого в оптике существует такое понятие,как количество пар линий на миллиметр (LP/MM), которое в спецификации на объектив производителя служит мерой его разрешающей способности. Количеством LP/MM определяется наименьшая ширина пары соседних пикселов, которые с помощью данного объектива могут восприниматься раздельно.Для стандартных аналоговых камер требуется объектив с показателем около 30 LP/MM, в то время как мегапиксельные объективы имеют соответствующие показатели начиная от 60 LP/MM и заканчивая более 200 LP/MM. В спецификации к объективу указана разрешающая способность объективов, как по центру, так и по краям изображения. При выборе того или иного объектива важно смотреть на оба этих параметра, но важно помнить,что разрешающая способность любого объектива уменьшается от центра к краю, таким образом на краях оптическое разрешение всегда меньше,чем в центре. Это обусловлено наличием у объектива аберраций (недостаток объектива, заключающийся в том, что световые лучи, прошедшие через объектив, не собираются в одну точку (фокус), а создают крупный расплывшийся (нерезкий) кружок), значение которых на краях всегда больше, чем в центре.Очень хорошо, когда разрешение объектива больше разрешения камеры, в противном случае мы получим меньше деталей на изображении.

Объектив, являясь первым элементом в системе охранного телевидения, будет определять разрешающую способность всего видеотракта. Поэтому, выбирая видеокамеру, целесообразно определить, какое разрешение должен иметь объектив и имеется ли возможность его приобретения.

Объективы для мегапиксельных камер: индивидуальный подбор

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Один из наиболее часто задаваемых клиентами нашей компании вопросов – почему мы "в базе" не комплектуем свои камеры объективами? И каждый раз приходится отвечать: "Такова политика производителя". Не видит он смысла ставить на мегапиксельные камеры какую-то одну универсальную модель. И мне думается, что этот подход логически обоснован и верен. Почему?

A. А. Торубаров
Генеральный директор компании Arecont Vision

Ответ прост: универсальное практически ВСЕГДА хуже специализированного. Автолюбители, к примеру, давно уже поняли, что зимой стоит ездить исключительно на зимних шинах, а летом – на летних. Это вопрос собственной безопасности. Тем более в нашем бизнесе. Клиент должен получать именно то, что наиболее точно подходит как раз для него, а не для гипотетического "среднего потребителя". И наша задача – помочь подобрать ему наиболее подходящую из представленных на рынке моделей, максимально реализующую возможности камеры.

Основные технические параметры

Для начала немного теории. Начнем с того, что любой объектив представляет собой проекционную оптическую систему, основное назначение которой – проецирование изображения наблюдаемой зоны с минимальными искажениями на светочувствительную поверхность фотоприемника. Из длинного перечня характеристик оптической системы "объектив – IP-камера", на которые обязательно стоит обратить внимание, необходимо отметить следующие:

1. Разрешающая способность – определяет минимальный размер различимых по контрасту элементов изображения. Разрешение в оптике оценивается с помощью штриховых тестовых мир, представляющих собой мишень, как правило, на основе стеклянной пластины с нанесенными на ней штрихами. Количество таких штрихов, приходящихся на единицу длины, при условии их визуального распознавания и является мерой оценки оптического разрешения. Если при проецировании такой миры на фотоприемник на получаемом изображении визуально можно различить штрихи, значит объектив разрешает данную пространственную частоту. Основную информацию о разрешении объектива несет указание в его технических характеристиках минимального размера пикселя, или количества линий на миллиметр, не только в центре, но и на краю (например, Resolution (Center, Corner) – 100 lp/mm, 60 lp/mm, то есть разрешение в центре – 100, на краю – 60 линий на мм). Для аналоговых камер нормальным считалось разрешение в 30–60 линий на мм, у мегапиксельных это значение – от 150 и выше.

2. Оптический формат – размер формируемого изображения или матрицы. Едва ли не важнейшее значение имеет соответствие формата матрицы объектива и камеры. Для многих камер используется матрица в 1/2 дюйма. При этом большинство мегапиксельных объективов имеет размер матрицы 2/3 дюйма. Соответственно заявленные производителем характеристики требуют корректировки. Некоторые компании указывают их сразу, некоторые подобной "ерундой" себя не утруждают. За отсутствием информации приходится идти опытным путем, сравнивая схожие модели, где подобная информация указана официально. Для своей линейки камер мы взяли за основу соотношение 3 к 4. То есть объектив 2/3 дюйма с заявленным углом обзора по горизонтали в 40 градусов на камерах с форматом матрицы 1/2 дюйма и соотношением сторон 4:3 даст угол в 30 градусов.

3. Фокусное расстояние – расстояние от оптического центра объектива до поверхности матрицы. С фокусным расстоянием напрямую связано такое понятие, как угол обзора объектива. Короткое фокусное расстояние дает широкий угол обзора, но сами объективы, как правило, не отличаются "дальнобойностью". По мере увеличения фокусного расстояния угол обзора камеры сужается, зато растет предельная дальность, на которой возможна детализация рассматриваемого объекта;

4. Светосила – определяется отношением эффективного диаметра передней линзы объектива к величине фокусного расстояния и характеризует чувствительность IP-камеры. Чем меньше значение указанного числа, тем лучше камера работает в условиях слабой освещенности. Объективы с маркировкой F1.4 сегодня едва ли не лучшие из тех, что есть на рынке.

Мегапиксельные камеры характеризуются в первую очередь высокой разрешающей способностью, что предъявляет определенные и довольно жесткие требования к используемой на них оптике. Тщательный подбор и сочетание различных линз со сферическими и асферическими поверхностями (в изделиях ведущих производителей, как правило, используются только стеклянные линзы, причем самой тонкой шлифовки) позволяют устранить практически все возможные геометрические и хроматические аберрации, и в результате пользователь имеет в системе четкое и контрастное изображение, необходимое для точной идентификации объекта. При этом широкая апертура мегапиксельных объективов позволяет получать четкие изображения даже при низкой освещенности.

Практические расчеты

Разобравшись с терминами, переходим непосредственно к оптимальному построению системы "объектив – IP-камера". И начнем с... ПОДБОРА КАМЕРЫ!

Допустим, существует необходимость контролировать (и по возможности идентифицировать) всех проходящих через ворота шириной 5 м на территорию охраняемого объекта. Решение этой задачи в первую очередь зависит от возможностей камеры и лишь потом – от установленного на нее объектива. Хотя официального стандарта нет, большинство специалистов считают достаточными следующие параметры: обычное наблюдение (фиксация события) обходится цифрой в 80–100 точек на м; распознавание автомобильных номеров – 170–190 точек на м; идентификация личности – 250–270 точек на м и т.д. Имея заданную ширину объекта в 5 м и задачу контроля входящих, приходим к выводу, что оптимальной будет 2-мегапиксельная камера с разрешением 1600(Н)х1200(W) (1600 делим на 270 – получаем 5,93 м). Вот теперь можно и подбором объектива заняться. Но для этого необходимо прежде всего установить соответствие объектива и камеры.

Честно говоря, странно, что до сих пор зависимость картинки от объектива зачастую не рассматривается клиентами как прямая. Дескать, если характеристики камеры заявлены как 2 Мпкс, то и разрешение 1600 на 1200 мы получим при любом раскладе. Что бы ни "навинтили" в качестве оптики. И очень удивляются, что картинка с AV2100 и объективом "Хай Резолюшн" (до 1 Мпкс) почему-то хуже той, что они видели при демонстрации, к примеру, на выставке. Для мегапиксельных камер желательно подбирать объективы, хотя бы приблизительно соответствующие разрешению камеры. Для 1,3-мегапиксельных камер – объективы не менее 1 Мпкс, для 2-мегапиксельных – 1,5–2 Мпкс и т.д. Иначе возможности камеры будут просто "зажаты" до уровня разрешения объектива.

Следующий шаг – определение необходимого фокусного расстояния. У нас есть ширина контролируемой зоны – 5 м – и расстояние, на котором от проходной весит камера, – допустим, 20 м. Как раз для таких ситуаций на сайтах солидных компаний размещают 2 калькулятора, дающих четкий ответ на поставленный вопрос. Задаем известные параметры – 5 и 20 м и получаем, что необходим объектив с фокусным расстоянием 25,6 мм. Можно сделать расчет результирующего угла объектива – получим 14,23 градуса. Каждый выбирает то значение, которое ему более понятно.

Особого внимания требует подбор объективов к камерам формата "день/ночь", использующим фильтр IR Cut-off. НАСТОЯТЕЛЬНО НЕ РЕКОМЕНДУЮ применять в этом случае обычные мегапиксельные модели. По крайней мере для камер с разрешением от 2 Мпкс и выше. Иначе вам придется внести в свой рабочий график обязательные акробатические упражнения со стремянкой утром и вечером – "ушедший" фокус будет требовать корректировки в светлое время суток и с наступлением сумерек. А вот объективы с буквами IR в маркировке – самое то! Смело ставьте и спите спокойно. Применение этих объективов позволяет избежать расфокусировки, когда спектр проходящего через объектив света смещается в инфракрасную область. Этот эффект возникает из-за того, что в разное время суток свет, проходящий через объектив, имеет разную длину волны, а у волн разных длин разнится коэффициент преломления. Объективы с ИК-коррекцией имеют специальный состав стекла и/или специальное напыление на стекло, которые практически полностью компенсируют эффект расфокусировки. Суть ее заключается в том, что коэффициент преломления и прозрачность материала линз остаются постоянными в широком диапазоне частот светового потока. Добавлю еще, что если в системе используется ИК-подсветка, то применение объективов с ИК-коррекцией является обязательным требованием.

Важные функции

При частой смене освещения на охраняемом объекте полезной может оказаться функция автодиафрагмы, когда открытие/закрытие диафрагмы объектива управляется сигналом, который поступает с камеры, оценивающей количество света, поступающего на матрицу фотоприемника. Хотя во многом востребованность этой функции – отголосок века аналоговых камер. В большинстве современных моделей мегапиксельных камер возможно добиться хорошей картинки при смене освещения и не прибегая к услугам автодиафрагмы. Как правило, хорошая IP-камера сама умеет подстраиваться под изменившиеся условия освещения.

Коль скоро мы заговорили об автодиафрагме, не могу не обратить внимание на еще одно распространенное заблуждение. Считается, что в объективах с ручной диафрагмой приближение объекта наблюдения невозможно, единственная доступная функция – настройка фокусировки, а спектр применения таких объективов ограничен – обычно их используют в камерах, наблюдающих за входами на объекты. Это неверно. Точнее, верно только для "оптического" зума. Между тем многие модели мегапиксельных видеокамер обладают цифровым зумом самой камеры: двух-трехкратного приближения, достигаемого за счет того, что каждый объект в мегапиксельной камере описывается большим количеством точек по сравнению с аналоговыми, зачастую вполне достаточно...

Идеальные пары

Учитывая трехлетний опыт работы на рынке именно с мегапиксельными системами "камера – объектив", позволю себе несколько рекомендаций, которые, надеюсь, не сочтут скрытой рекламой. Для камер с разрешением до 2 Мпкс и при расстоянии до рассматриваемого объекта не более 50–60 м, оптимальными, на наш взгляд, являются модели Computar M...-MP (M0814-MP/M1214-MP и т.д.). А из вариофокалов – Tamron 12VM412ASIR и Tamron 12VM1040ASIR.

2–3-мегапиксельные модели камер лучше всего "уживаются" с продукцией компаний KOWA (модели LM...JCM) и SpaceCom (JHF....M или MK), а KOWA LMVZ 3510-IR и KOWA LMVZ9020-IR являются "хитами" для камер формата "день/ночь".

Подбор объективов для камер с разрешением больше 3 Мпкс является наиболее трудным делом. Конечно, есть превосходные трансфокаторы с подобным и даже более высоким разрешением, вот только цена на них порой в разы превышает цену самой камеры. А из объективов с фиксированным фокусным расстоянием лучшим решением, на наш взгляд, является Fujinon серии HF... SA-1. Хотя говорят, что и у KOWA появились хорошие модели для 5–10 Мпкс. Любопытно будет попробовать.

Чтобы не платить дважды…

И последнее. Не стоит экономить на мелочах. Копеечная выгода сегодня завтра может обернуться серьезными потерями после установки комплекса на охраняемом объекте. Конкретный пример: на одной из выставок подошли к нам представители китайского производителя оптики. Продемонстрировали свою продукцию. Специалисты компании были в восторге – качество линз заслуживало всяческих похвал. Японцы не всегда могут обеспечить такое. А уж цена и вовсе была смешная – порядка 30 долларов за 3-мегапик-сельный объектив. Казалось бы – вот оно, решение всех проблем. Хорошо, что не стали брать крупную партию, поостереглись. И правильно сделали. В ходе длительного теста выявилась интересная особенность – регулировочные винты и кольца объектива редко выдерживали больше 6–7 настроек. Фокус просто переставал строиться. Хотя к стеклу никаких претензий – удачные экземпляры успешно трудятся вот уже два года. Отсюда главный вывод: не хотите проблем – берите модели, рекомендованные производителем (поставщиком) для конкретной камеры.

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #4, 2010
Посещений: 11301

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Лабораторный тест с Петром Мудреновым: кинообъективы Fujinon MK

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

 

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

 

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

 

 

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

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

 

 

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

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

 

 

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

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

 

 

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

 

 

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

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

 

 

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

 

 

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

 

Тест на сохранение дистанции фокусировки

 

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

 

 

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

 

Тест на «дыхание» при переводе фокуса

 

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

 

 

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

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

 

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

 

 


Источник: tvkinoradio.ru

Объективы, часть II. Характеристики и свойства объективов


Читайте также:


Резкость объектива: что это

Насколько объектив резкий? Насколько четкое изображение он может дать? На этот вопрос отвечает разрешающая способность объектива. Мы уже сталкивались с понятием разрешения в контексте цифрового изображения. Мы выяснили, что чем выше разрешение цифрового изображения, тем оно более качественное, более детализированное. В случае с объективом все то же самое. Чем выше его разрешающая способность, тем более детализированную картинку можно получить с этого объектива. Однако, разрешение объектива измеряется совсем иначе, не в количестве точек (как в случае с цифровым изображением). Ведь объектив проецирует на матрицу фотоаппарата изображение, не разбитое на мелкие элементы-пиксели. И его разрешение поэтому измерить сложнее. Тем более, резкость объектива будет зависеть от диафрагмы, на которой ведется съемка, а в случае с зум-объективами, еще и от выбранного фокусного расстояния. Чтобы дать общую характеристику резкости объектива, проводится целое лабораторное исследование, а по его итогам составляются так называемые графики MTF. О том, как читают графики MTF, а также с самими графиками по каждому объективу Nikon, можно ознакомиться на официальном сайте Nikon: https://nikoneurope-ru.custhelp.com/app/answers/detail/a_id/27512

Однако фотограф работает не в лабораторных условиях, и на резкости итогового изображения влияет масса побочных факторов как технического характера (например, высокое ISO, неправильная выдержка, неточность фокусировки, нехватка глубины резкости), так и прочие обстоятельства. Например, передняя линза объектива может быть загрязнена, при ярком солнце объектив может поймать блик, резкость объектива может портить защитный светофильтр или другие насадки, при фотографировании на улице может быть смог или туман, очень часто резкость кадров портится некорректной компьютерной обработкой.

Поэтому лучше всего о резкости объектива судить не по графикам, а по корректно снятым фотографиям с этого объектива. Ведь оценивать свои фотографии мы будем не математически, а собственными глазами и чувствами.

В интернете сегодня очень много примеров снимков с любой оптики. Их можно найти как на официальных сайтах производителей объективов, так и в тестах, на популярных фотохостингах. Например, на сайте Pixel-Peeper.com собраны миллионы снимков, сделанных пользователями фотохостинга Fliсkr на ту или иную фототехнику.

Снимок, по которому можно оценить резкость объектива. Кадр не смазался на слишком длинной выдержке, фокусировка точна, минимальный уровень цифрового шума.

По этому снимку невозможно оценить резкость объектива. Объект съемки немного смазался в движении, очень много цифровых шумов из-за высокого ISO. Да и в точности фокусировки уверенности нет.

Кстати, посмотрев в интернете примеры снимков на тот или иной объектив, мы еще раз убедимся в том, что даже на самый качественный объектив можно снять плохой кадр — всё зависит от навыков фотографа. Чтобы оценить резкость изображения по фотопримерам, стоит обратить внимание как на центр кадра, так и на его края. В центре кадра объектив всегда имеет самое высокое разрешение, тогда как к его краям оно может заметно снижаться. В самом факте небольшого снижения резкости к краю кадра нет ничего страшного: в конце концов на самом краю фотографии редко располагают значимые объекты. При оценке резкости объектива стоит иметь в виду, что при максимально открытой диафрагме резкость изображения зачастую не так высока, как при F8-F11. На более закрытых диафрагмах резкость опять начинает постепенно снижаться. Поэтому не стоит без необходимости использовать диафрагмы F16-F32.

Если разрешающей способности объектива будет не хватать при практическом его использовании, при полном увеличении снимков мы увидим, что даже с абсолютно точной фокусировкой они будут давать не совсем резкое изображение. Часто в таком случае фотографы говорят “объектив мылит”. “Мылят” частенько самые простые, недорогие объективы, например “китовые”, поставляющиеся в комплекте с камерой. Безусловно, и на “китовую” оптику можно получать прекрасные снимки, однако продвинутые фотографы предпочитают по мере возможности сменить их на более совершенные модели объективов в зависимости от своих задач.

Сравним на фотопримере резкость трех объективов разных классов: зума начального уровня, профессионального зум-объектива и фикс-объектива. Мы выбрали типичных представителей каждого класса, так что результаты сравнения будут в той или иной мере характерны для всех представителей этих категорий оптики. Все кадры сделаны на фотоаппарат Nikon D5300 при диафрагме F8, то есть на пике резкости данных объективов. Сравним фрагменты из центра изображения при 100% увеличении.

Зум-объектив начального уровня. Nikon AF-S DX 18-140mm F3.5-5.6G ED VR Nikkor

Зум-объектив профессионального класса Nikon 70-200mm f/4G ED AF-S VR Nikkor

Объектив с постоянным фокусным расстоянием Nikon 85mm f/1.4D AF Nikkor

Каждый фотограф решает для себя сам: какой резкости ему достаточно для своих задач и выбирает соответствующую оптику. О выборе оптики для тех или иных видов фотосъемки мы поговорим еще не раз в следующих уроках. Уже сейчас можно ознакомиться с материалами рубрики “Как это снято?”, чтобы увидеть какими объективами снимают в тех или иных ситуациях.

Субъективные характеристики: “Рисунок” объектива и красота боке

Эти характеристики называются субъективными потому, что их нельзя измерить и оцениваются фотографами исходя из собственных вкусов и творческого опыта. Множество фотографов, особенно занятых не творческой, а технической фотографией вообще не интересуют такие понятия как “рисунок” и боке.

Поскольку каждая модель объектива имеет ту или иную оптическую систему, проецируемое ими на матрицу изображение может различаться не только по резкости, но и по своему художественному характеру. Такой характер изображения, даваемого объективом, фотографы называют “рисунком”. С понятием рисунка соседствует понятие “боке”. Боке — зона нерезкости на фото. Различные объективы дают различное боке. Характер боке зависит от оптической системы объектива и от устройства его механизма диафрагмы. Считается, что чем круглее будет отверстие диафрагмы, тем приятнее получится боке и тем более правильную форму будут иметь круглые блики от точечных источников света на фоне. Производители часто устанавливают в объектив специальные скругленные лепестки диафрагмы для получения красивого боке.

Понятия рисунок и боке чаще всего используются применительно к светосильной оптике и объективам с постоянным фокусным расстоянием, так как считается, что такие объективы обладают ярко выраженным, характерным рисунком. У какого объектива красивее рисунок и лучше боке — решает каждый фотограф сам для себя.

Кадр, снятый на объектив Nikon AF-S 50mm f/1.4G Nikkor при его максимально открытой диафрагме.

Кадр, снятый на объектив Nikon AF-S DX 18-140mm F3.5-5.6G ED VR Nikkor при максимально открытой диафрагме.

Устройство объектива фотоаппарата и органы управления.

Разберемся с тем, какие детали и органы управления расположены на объективе и зачем они нужны.

Nikon AF-S 50mm f/1.4G Nikkor

Nikon AF-S DX 18-140mm F3.5-5.6G ED VR Nikkor

  1. Байонетное крепление. При помощи него объектив устанавливается на фотоаппарат.

  2. Название объектива. Чуть ниже мы научимся расшифровывать все обозначения, используемые в названиях объективов Nikon.

  3. Переключатель между автоматической (A) и ручной (M) фокусировкой объектива.

  4. Включение и выключение оптического стабилизатора (VR — Vibration Reduction) объектива. Имеется только на объективах, оснащенных этим самым стабилизатором.

  5. Кольцо фокусировки. Необходимо для ручной фокусировки объектива.

  6. Шкала выбранного фокусного расстояния. Есть на большинстве зум-объективов, за исключением самых простых. На объективах с постоянным фокусным расстоянием тоже отсутствует за ненадобностью.

  7. Кольцо зумирования. Имеется только у зум-объективов. Необходимо для смены фокусных расстояний объектива (а вместе с этим и угла обзора объектива).

  8. Крепление для бленды. Бленда — это своеобразный “козырёк”, защищающий его переднюю линзу от бликов, которые могут возникнуть при съемке на ярком солнце. Помимо этого, бленда может выполнять защитную функцию, делая переднюю линзу объектива более труднодоступной для пальцев рук и защищая ее от физических повреждений при падении объектива.

  9. Резьба для установки светофильтров на объектив. Каждый объектив имеет определенный диаметр резьбы. Измеряется этот диаметр в миллиметрах: 52 мм, 67 мм, 72 мм, 77 мм. Под каждый диаметр резьбы выпускаются специальные светофильтры. Самый распространенный светофильтр — защитный. Его функция — защищать переднюю линзу объектива от механических повреждений. Светофильтрам будет посвящен отдельный урок, ведь это весьма обширная тема. Как узнать диаметр резьбы под светофильтр вашего объектива? Обычно он написан рядом с его передней линзой. Если же вдруг там он не написан, всегда можно найти характеристики объектива в интернете или инструкции к нему. Помимо этого, можно посмотреть на обратную сторону крышки от объектива. На них часто указан диаметр.

10.Шкала дистанции фокусировки. Есть не на всех объективах. Помогает понять, на какую дистанцию сейчас сфокусирован объектив. Особенно полезна при предметной, пейзажной фотосъемке.

Читаем название объектива. Технологии объективов Nikon

Пример названия объектива

Какое фокусное расстояние у объектива, какая светосила? Подойдет ли он к вашей фотокамере? Всё это можно узнать из названия объектива. Научимся его читать. Прежде всего, в названии объектива указан производитель. Объективы производства компании Nikon называются Nikkor — это фирменное название семейства оптики. В названии объектива это слово может употребляться наравне с названием фирмы-производителя.

Остальное название объектива строится из аббревиатур, обозначающих те или иные технологии и стандарты, и числовых характеристик: фокусное расстояние и светосила.

Мы уже знаем, что фокусное расстояние объектива обозначается в миллиметрах. В случае с зум-объективами указывается самое короткое и самое длинное фокусное расстояние данного через тире. Например: “18 — 55мм”. Если перед нами фикс-объектив, то и его фокусное расстояние обозначается одним числом. Например: “50 мм”. Светосила объектива, как и фокусное расстояние, может быть постоянной и переменной. У некоторых зум-объективов встречается переменная светосила. Тогда так же через черточку указывается светосила объектива при самом коротком фокусном расстоянии и на самом длинном. К примеру: F/3.5-5.6. Если же объектив обладает постоянной светосилой, светосила обозначается одним числом. Например: “F/1.4”.

Среди аббревиатур в названии современного объектива от Nikon могут использоваться следующие:

AF (Autofocus) — автофокусные объективы без встроенного мотора для автоматической фокусировки. Используют мотор, встроенный в фотокамеру. Не все современные фотоаппараты имеют встроенный мотор для фокусировки: у бюджетных аппаратов Nikon его нет.

Такие объективы называются “отверточными”, как и фотокамеры, обладающие встроенным мотором фокусировки. Такое название получено из-за того, что привод автофокуса, выглядывающий из байонета фотоаппарата, похож на отвертку. Этот привод крутит специальный “винтик” на объективе, тем самым перемещая группы линз и наводя объектив на резкость.

Байонет камеры без встроенного привода фокусировки.

Байонет камеры со встроенным приводом фокусировки. Красным квадратом выделена та самая “отвертка”, обеспечивающая связь между объективом типа “AF” и встроенным мотором фокусировки.

Если такой объектив будет установлен на фотокамеру без встроенного привода фокусировки, автофокус не будет работать. Будет возможна только ручная фокусировка.

На сегодня встроенный привод фокусировки имеют фотокамеры начиная с Nikon D7100 и старше: Nikon D600, Nikon D610, Nikon D750, Nikon D800, Nikon D800E, Nikon D810, Nikon D4, Nikon D4s.

Не имеют встроенный привод фокусировки камеры младше Nikon D7100: Nikon D3200, Nikon D3300, Nikon D5200, Nikon D5300 и другие.

На сегодня “отверточные” объективы считаются практически устаревшими, все новые объективы оснащаются собственными моторами и имеют аббревиатуру “AF-S”.

AF-S (AF-Silent Wave Motor) — автофокусный объектив со встроенным мотором автофокуса. При использовании такого объектива автофокус будет работать на любой цифровой зеркальной фотокамере Nikon.

SWM (Silent Wave Motor) — ультразвуковой мотор фокусировки. Используется в объективах стандарта AF-S.

G (G-type) — Объективы без кольца управления диафрагмой. Кольцо управления не нужно при использовании современных фотоаппаратов, поэтому от него решили избавиться. Однако, объективы серии G не получится использовать на старых, полностью механических фотоаппаратах типа Nikon FM3a, Nikon FM10

Micro (Macro) — предназначенные для макросъемки объективы. Обладают короткой минимальной дистанцией фокусировки, что позволяет снимать предметы очень крупным планом.

PC-E (Perspective Control) — тилт-шифт объективы, объективы с коррекцией перспективы.

ED — в объективе использованы специальные линзы для снижения хроматических аберраций.

AS — в объективе используются асферические линзы.

IF (Internal focus) — объектив с внутренней фокусировкой. При фокусировке передняя линза объектива остается неподвижной. Таким образом повышается надежность объектива.

RF (Rear Focusing) — почти то же самое, что IF. Только фокусировка осуществляется задними оптическими элементами с малым весом, а значит занимает меньше времени.

DC (Defocus Control) — функция контроля зоны нерезкости. Включив ее, можно добиться более красивого боке.

VR (Vibration Reduction) — очень важная функция: стабилизатор изображения.

N (Nano Crystal Coat) — за счет нанесения на линзы объективы нанокристаллов уменьшается подверженность объектива к бликам, получается более контрастное изображение.

AF-D, D (AF-Distance Information) — объективы, передающие камере информацию о дистанции до объекта. Сегодня эта возможность есть у всех объективов. Объективы, маркирующиеся аббревиатурами AF-D и D — это не самые новые объективы.

DX — объектив разработан для камер с матрицами формата APS-C. Объектив проецирует изображение небольшого размера, как раз для уменьшенной матрицы APS-C. Так что если поставить его на камеру с полнокадровой матрицей (а это вполне возможно), по краям кадра будет очень сильное затемнение. Современные полнокадровые камеры Nikon имеют режим совместимости с DX-оптикой. В таком режиме фотокамера будет получать изображение не со всей площади матрицы, а с области, равной по площади матрице формата APS-C. То есть никакого виньетирования (затемнения краев) не будет, но и полнокадровый аппарат превратиться в кроп-камеру.

FX — объектив, разработанный для использования с полнокадровыми фотоаппаратами. В полной мере может использоваться и с камерами APS-C.

CX — объективы, разработанные для использования с фотокамерами системы Nikon 1. Несовместимы с зеркальными аппаратами Nikon, имеющими байонет Nikon F.

Теперь мы запросто сможем расшифровать названия объективов Nikkor, узнать об их основных характеристиках, технологиях и стандартах.

Подробнее с технологиями и аббревиатурами, использующимися в названиях объективов можно познакомиться на сайте Nikon: http://www.nikon.ru/ru_RU/product/nikkor-lenses/glossary

На этом тема изучения объективов не окончена. В следующих уроках нам предстоит узнать как классифицируются объективы по углу обзора, как меняется передача пространства и перспективы на объективах с различным фокусным расстоянием, как работать с глубиной резкости.


Читайте также:


BL12018BIR-WF Объектив для видеокамеры f 12.0 мм, F1.8, день/ночь, высокое разрешение, ИК-фильтр

Объектив для видеокамеры f 12.0 мм, F1.8, день/ночь, высокое разрешение, ИК-фильтр

•  3 Мп фиксированный объектив
  •  f = 12 мм
  •  Светосила: F1.8
  •  Совместимый формат матриц: до 1/2.7"
  •  Минимальное расстояние фокусировки: 0.2 м
  •  Встроенный ИК-фильтр

Профессиональный 3 Мп фиксированный объектив BL12018BIR-WF с ИК-фильтром предназначен для установки на IP и аналоговые видеокамеры. Высокое качество оптической системы позволяет получать с видеокамеры изображение с максимально возможной для нее детализацией. Объектив оптимизирован для работы при искусственном или естественном освещении. BL12018BIR-WF – это отличное решение по приемлемой цене для камер наблюдения со съемным объективом.

Правильная цветопередача

Чтобы избежать нежелательных эффектов на изображении, например, таких как засветка от мощных источников ИК-излучения, объектив BL12018BIR-WF оснащен ИК-фильтром. Он препятствует попаданию инфракрасного излучения на матрицу камеры и получаемое изображение точно соответствует тому, что видит человеческий глаз. Благодаря BL12018BIR-WF каждая деталь цветного изображения выглядит отчетливо, это позволяет легко распознавать объекты даже при плохой освещенности.

Фокусировка и угол обзора

Фокусировка объектива настраивается вручную. Поле зрения BL12018BIR-WF по горизонтали составляет 22.7° (при работе с матрицами формата 1/3``), что позволяет осуществлять общий мониторинг объекта.

Общие характеристики
Разрешение 3 Мп
Тип объектива Фиксированный
Фокусное расстояние 12 мм
Светосила F1.8
Угол обзора по горизонтали 22.7° (на матрице 1/3``)
Совместимый формат матриц До 1/2.7``
Минимальное расстояние до объекта 0.2
Особенности Встроенный ИК-фильтр
Управление
Фокусировка Ручная регулировка
Эксплуатация
Вес 6.3 г (нетто)
Крепление M12
Комплектация
Комплект поставки Объектив
  Упаковочная тара

Характеристики BL12018BIR-WF:

  • Тип объектива: Фиксированный
  • Производитель: BEWARD
  • Вид объектива: Узкоугольный
  • Фокусное расстояние не менее (мм): 12
  • Фокусное расстояние не более (мм): 12
  • Разрешение (Мп): 3
  • Zoom (кратность): Нет
  • Апертура (F): 1.8
  • Ик-коррекция: Есть
  • Крепление объектива: M12
  • Регулировка диафрагмы: Нет
Консультации по оборудованию Новый вопрос

Задайте вопрос специалисту о BL12018BIR-WF Объектив для видеокамеры f 12.0 мм, F1.8, день/ночь, высокое разрешение, ИК-фильтр

Доставка

Самовывоз из офиса: Пункт выдачи:* Доставка курьером:* Транспортные компании: Почта России:*

* Срок доставки указан для товара в наличии на складе в Москве

Отзывы покупателей: Оставить отзыв

Ваш отзыв может быть первым!

Что такое мегапиксельный объектив и для чего он нужен?

7 февраля 2014

Марк Питерсон, Theia Technologies; Марк С. Уилсон, Infinova

В вашей службе безопасности наступил волнующий момент: наконец-то вы получили одобрение перехода с установленных когда-то аналоговых камер на мегапиксельные камеры, с которыми вы связываете большие ожидания. Вместе с интегратором, вы начинаете выбирать камеры, которые планируете установить, с нетерпением ожидая получения лучшего качества изображения, более высокой разрешающей способности и, во многих случаях, получения такого угла обзора в расчете на одну камеру, которое бы потребовало применения нескольких аналоговых камер. Вам все ясно относительно самих мегапиксельных камер, в том числе, их размещения в кожухе и особенностей монтажа.

А как насчет объектива?

Вы только что открыли ящик Пандоры…

Объектив объективу рознь

Объектив, требуемый для IP/мегапиксельной камеры сильно отличается от объектива для обычной аналоговой камеры. Эти камеры более высокого разрешения требуют и объективов более высокого качества. К примеру, для мегапиксельной камеры размер пятна в фокальной плоскости объектива должен быть сравним или меньше, чем размер пиксела матрицы (рисунок 1 и 2). Чтобы добиться этого при большом количестве элементов мегапиксельной камеры, расположенных с высокой точностью, требуется объектив, который может оказаться более дорогим, чем для аналоговых камер.

 Рисунок 1. Для хорошей фокусировки на мегапиксельной матрице размер
пятна мегапиксельного объектива должен быть как можно меньше.

 Рисунок 2. Размер пятна стандартного объектива не обеспечивает
четкой фокусировки на элементах мегапиксельной матрицы.

В таком случае можно было бы предположить, что всем, кто указывает в спецификации мегапиксельную камеру, требуется мегапиксельный объектив. Однако все не так просто, во многих случаях довольно трудно гарантировать, что предлагаемый объектив как раз такой, какой нужно. Традиционно, любой приличный объектив должен работать с обычными аналоговыми камерами, так что подбор объектива для них никогда не был проблемой. В результате слишком много проектировщиков и интеграторов до сих пор не понимают, что для мегапиксельных камер объектив – это не любой объектив.

С мегапиксельными камерами проектировщики и интеграторы входят в полностью новый мир, состоящий из миллионов пикселов, а 1500 пикселов по горизонтали – это норма, это не 320 ТВЛ, используемых в большинстве аналоговых камер. Используемые прежде телевизионные линии могут теперь рассматриваться как ряды пикселов. Требования по разрешающей способности резко возросли.

Это правда. Многие производители заявляют в своих товарах: "мегапиксельный объектив", однако они редко объясняют, что означает это прилагательное. Данный MP (мегапиксельный) объектив предназначен для использования с камерой 1,3 Мп или с камерой 3 Мп? Может ли он использоваться со всеми мегапиксельными камерами?

Возвращаясь к рисункам 1 и 2, наверное, можно догадаться, что для достижения наилучшего качества изображения для различных мегапиксельных камер требуются различные объективы и что для камер с большим числом мегапикселов (с их пикселами меньших размеров) требуются объективы, обеспечивающие передачу с высокой точностью большего числа элементов, чем для камер с меньшим числом мегапикселов.

Итак, как же определить необходимое качество объектива? Для правильного выбора объектива для камеры может использоваться количество пар линий на миллиметр (LP/MM), которое в спецификации на объектив служит мерой его разрешающей способности. Количеством LP/MM определяется наименьшая ширина пары соседних пикселов, которые с помощью данного объектива могут восприниматься раздельно.

Например, для стандартных аналоговых камер требуется объектив с показателем около 30 LP/MM, в то время как мегапиксельные объективы имеют соответствующие показатели начиная от 60 LP/MM и заканчивая более 200 LP/MM.

К примеру, объектив с разрешением 60 LP/MM на матрице 1/3" камеры 1.3 Мп (которая имеет разрешающую способность 133 LP/MM) не позволяет полностью использовать разрешающую способность камеры. Причина в том, что объектив обеспечивает различение только 60 пар линий на мм, в то время для как для данной камеры с ее мегапиксельным разрешением требуется 133 пар линий на мм. Данный объектив с данной матрицей, имеющейся у камеры, не позволяет наблюдать достаточно мелкие детали.

В вышеприведенном примере при использовании объектива с низким разрешением столбец толщиной в 1 пиксел на изображении будет размываться и не будет виден. Объектив позволит различать, столбец только в том случае, если он увеличится почти до 3 пикселов. Другими словами, с данным объективом и камерой нельзя будет рассмотреть ни один объект, меньший 3 пикселов. Следствием этого является то, что дополнительные пикселы камеры пропадают впустую – за такую камеру явно переплачивают.

Остерегайтесь того, что слишком много объективов называется мегапиксельными лишь на основании значения LP/MM в центре объектива, но не на его краях. Для пользователя это различие может оказаться решающим. Не редкость, когда мегапиксельный объектив имеет 60 LP/MM в центре и только 30 LP/MM на краях. Это значит, что разрешение на краях так называемого "мегапиксельного" объектива не лучше, чему у обычного объектива для аналоговой камеры, который вдвое дешевле.

Итак, размеры пикселов различны у различных мегапиксельных камер, тем самым влияя на то, какой из объективов наилучшим образом подходит к той или иной конкретной камере. Требуемое разрешение объектива в значениях LP/MM для данной камеры может быть рассчитано, исходя из размера пиксела.

Дополнительной сложностью является то, что физическая ширина пикселов в камерах может быть различной из-за различных форматов матриц и что количество пикселов должно соответствовать фотоприемнику. Другими словами, можно иметь две матрицы различного размера с одинаковым общим количеством пикселов, однако требуемое разрешение объектива при этом будет различным. Это означает, что значение LP/MM относится только к размеру пикселов матрицы. Объектив, имеющий 120 LP/MM может отлично подходить для камеры 1.3 Мп с матрицей 1/2", но при этом не слишком хорош с камерой 2 Мп и матрицей 1/3", поскольку в последнем случае размер пиксела намного меньше. Идеально, когда разрешение объектива больше разрешения камеры.

Приложения, реально влияющие на выбор объектива

Без сомнения, существует большая разница между объективами, требуемыми для обычной аналоговой камеры при наблюдении в универсальном магазине, мегапиксельным объективом 1.3 Мп для наблюдения за парковкой возле торгового центра и мегапиксельным объективом 3.0 Мп для видеонаблюдения за местом проверки в исправительном учреждении. В таких приложениях, как распознавание автомобильных номеров, распознавание лиц и/или их идентификация очень часто используются мегапиксельные камеры, однако для этого требуется знание разрешающей способности изображения и требуемой детализации.

Преимущественное использование мегапиксельных камер проявляется и при видеонаблюдении с охватом больших площадей. Многие интеграторы выбирают мегапиксельные камеры по той причине, что с помощью одной такой камеры можно охватить такой же объем пространства, что и с несколькими аналоговыми камерами, имеющими такую же разрешающую способность. При этом можно отказаться от большого количества камер, сэкономить на камерах, на регистрирующем оборудовании, на монтаже и обслуживании.

В таких приложениях мегапиксельная камера должна иметь возможность увеличения изображения (цифровой зум) в любой его части, в том числе и на краях. Использование сверхширокоугольного объектива, не имеющего искажений типа "рыбий глаз", прямолинейного объектива, обеспечивает сверхширокий угол обзора, с лучшим разрешением на краях изображения, чем объектив, имеющий бочкообразные искажения.

К тому же помните, что детализация изображения также определяется полем зрения. Должен быть найден компромисс между размером объекта на изображении и тем, насколько хорошо можно разглядеть на нем детали с помощью данной камеры. Больший угол зрения соответствует пикселам камеры при большем угле, что будет соответствовать количеству пикселов, приходящихся на один фут (0,3 метра). Например, если камера 1.3 Мп с матрицей 1280 пикс имеет угол обзора более 90 градусов, то при расстоянии до объекта 50 футов для горизонтального поля зрения будет приходиться примерно 13 пикс на один фут. Однако при уменьшении поля зрения в два раза разрешающая способность окажется в два раза большей, примерно 26 пикс на фут.

Что можно сделать?

Для расчета значения LP/MM, требуемого для данной камеры, разделите ширину или высоту матрицы в пикселах на физическую ширину или высоту матрицы в миллиметрах, затем частное разделите на 2. Делить на 2 необходимо потому, что значение LP/MM определяется для 2 соседних пикселов (пары линий):

LP/MM = кол-во пикс по ширине матрицы / кол-во мм по ширине матрицы / 2

Хотя в прошлом значение LP/MM, как правило, не предоставлялось производителями объективов, с принятием рынком мегапиксельной технологии оно становится все более распространенным и в настоящее время может быть полезным при выборе объектива. Однако многие производители будут использовать для мегапиксельной технологии упрощенное обозначение качества объектива (например, 1.3 МР или 3 МР), а также стандартное обозначение матрицы (например, 1/2 " или 1/3").

Однако вследствие большого числа взаимозависимых переменных наиболее полезным инструментом правильного выбора объектива являются специальные калькуляторы, предоставляемые производителями на их сайтах. Указав разрешающую способность и размер матрицы, а также вид приложения, с помощью такого калькулятора можно получить тип объектива.

Добиться максимума

При покупке аналоговых камер обращали внимание на минимальную освещенность, максимальную освещенность, защиту от осадков и другие факторах, но мысли об объективе редко оказывались даже на втором месте. При современных мегапиксельных камерах объектив может оказаться наиболее важным аксессуаром при выборе каждой мегапиксельной камеры. В конце концов, если объектив не обеспечивает то разрешение, на какое способна камера, то вы просто зря потратили свои деньги на приобретение камеры с более высоким разрешением.

Опубликовано: Network Centric Security Dec. 2010 "Why you need a megapixel lens"

Вы можете ознакомиться с мегапиксельными объективами, представленными в нашем каталоге.

Особенно обращаем Ваше внимание на высококачественные мегапиксельные объективы Theia, обеспечивающие разрешение 5МП.

Датчики и линзы | Эдмунд Оптикс

Это Раздел 6.4 Руководства по ресурсам для обработки изображений.

Изображение на частоте Найквиста

Может возникнуть соблазн получить изображение с так называемой частотой Найквиста, которая определяется в Equation 1 из Advanced Lens Selection. Однако, как правило, это не очень хорошая идея, поскольку подразумевает, что наблюдаемая особенность приходится ровно на один пиксель. Если бы система визуализации сместилась на полпикселя, интересующий объект оказался бы между двумя пикселями и полностью размылся.По этой причине не рекомендуется получать изображения с частотой Найквиста. Предполагая, что субпиксельная интерполяция не используется, обычно рекомендуется формирование изображения на половине частоты Найквиста, поскольку это позволит интересующей функции всегда занимать не менее двух пикселей.

Другое предположение, которое часто делается неправильно, заключается в том, что объектив не подходит для использования с конкретной камерой, если он не имеет существенного (> 20%) контраста на частоте Найквиста датчика, с которым он используется.Это не тот случай. Как упоминалось ранее, получение изображений на пределе Найквиста не рекомендуется и может создать несколько проблем. Необходимо изучить всю систему, чтобы определить, подходит ли объектив для данного датчика камеры или нет, и это часто зависит от приложения. В следующем разделе описывается, что происходит в системе формирования изображений, когда они используются на частоте Найквиста или рядом с ней, и их последствия для общего разрешения системы.

Понимание взаимодействия между датчиками камеры и объективами изображения - важная часть разработки и внедрения системы машинного зрения.Оптимизация этого отношения часто упускается из виду, и влияние, которое она может оказать на общее разрешение системы, велико. Неправильно подобранная комбинация камеры / объектива может привести к потере денег на систему обработки изображений. К сожалению, определение того, какой объектив и камеру использовать в любом приложении, не всегда простая задача: все больше датчиков камеры (и, как прямой результат, больше объективов) продолжают разрабатываться и производиться, чтобы воспользоваться преимуществами новых производственных возможностей и повысить производительность.Эти новые датчики ставят перед объективами ряд проблем, которые необходимо преодолеть, и сделать правильное соединение камеры с объективом менее очевидным.

Первая проблема заключается в том, что пиксели продолжают уменьшаться. Хотя меньшие пиксели обычно означают более высокое разрешение на уровне системы, это не всегда так, если принять во внимание используемую оптику. В идеальном мире, без дифракции или оптических ошибок в системе, разрешение будет основываться просто на размере пикселя и размере просматриваемого объекта (см. Разрешение).Вкратце, по мере уменьшения размера пикселя разрешение увеличивается. Это увеличение происходит, поскольку более мелкие объекты могут быть помещены на более мелкие пиксели и все еще иметь возможность разрешать интервал между объектами, даже если этот интервал уменьшается. Это упрощенная модель того, как датчик камеры обнаруживает объекты, без учета шума или других параметров.

Объективы

также имеют характеристики разрешения, но основы не так просты для понимания, как датчики, поскольку нет ничего более конкретного, чем пиксель.Однако есть два фактора, которые в конечном итоге определяют воспроизведение контраста (функция передачи модуляции или MTF) конкретной особенности объекта на пикселе при отображении через линзу: дифракция и аберрационное содержание. Дифракция будет происходить каждый раз, когда свет проходит через апертуру, вызывая снижение контраста (подробнее см. Диск Эйри и Предел дифракции). Аберрации - это ошибки, которые возникают в каждом объективе формирования изображения, которые либо размывают, либо смещают информацию об изображении в зависимости от типа аберрации, как описано в разделе «Реальные характеристики».При использовании светосильного объектива (≤f / 4) оптические аберрации чаще всего являются причиной отклонения системы от «идеального», что диктуется дифракционным пределом; в большинстве случаев линзы просто не работают на своей теоретической частоте отсечки ($ \ small {\ xi _ {\ small {\ text {Cutoff}}}} $), как это диктуется уравнением , уравнение 1 .

Чтобы связать это уравнение с датчиком камеры, по мере увеличения частоты пикселей (уменьшения размера пикселя) контраст уменьшается - каждый объектив всегда будет следовать этой тенденции.Однако это не учитывает реальные аппаратные характеристики объектива. То, насколько жесткие допуски на линзы допускаются и насколько они изготовлены, также повлияет на аберрационное содержание линзы, а реальные характеристики будут отличаться от номинальных, как это было задумано. На основе номинальных данных может быть сложно приблизительно определить, как объектив в реальном мире будет работать, но тесты в лаборатории могут помочь определить, совместим ли конкретный объектив и датчик камеры.

(1) $$ \ xi _ {\ small {\ text {Cutoff}}} = \ frac {1} {\ lambda \ times \ left (f / \ # \ right)} $$

(1)

$$ \ xi _ {\ small {\ text {Cutoff}}} = \ frac {1} {\ lambda \ times \ left (f / \ # \ right)} $$

Один из способов понять, как объектив будет работать с определенным датчиком, - это проверить его разрешение с помощью мишени USAF 1951.Столбчатые мишени лучше подходят для определения совместимости линз и сенсоров, чем звездные мишени, поскольку их характеристики лучше сочетаются с квадратными (и прямоугольными) пикселями. В следующих примерах показаны тестовые изображения, сделанные с одним и тем же объективом с высоким разрешением 50 мм с фокусным расстоянием и одинаковыми условиями освещения на трех разных датчиках камеры. Затем каждое изображение сравнивается с номинальной осевой кривой MTF объектива (синяя кривая). В этом случае используется только осевая кривая, потому что интересующая область, где измерялся контраст, покрывала только небольшую часть центра датчика.1 / _ {2.5}} $ ”ON Semiconductor MT9P031 с пикселями 2,2 мкм при увеличении 0,177X.

Рисунок 1: Сравнение номинальных характеристик объектива с реальными характеристиками для объектива высокого разрешения 50 мм на (a) ON Semiconductor MT9P031 с пикселями 2,2 мкм, (b) Sony IXC655 с пикселями 3,45 мкм и (c) ON Semiconductor KAI-4021 с пикселями 7,4 мкм. Красная, пурпурная и темно-зеленая линии показывают пределы Найквиста датчиков соответственно. Желтая, голубая и светло-зеленая линии показывают половину пределов Найквиста датчиков соответственно.

Используя Equation 1 из Resolution, разрешение датчика Найквиста ($ \ xi _ {\ small {\ text {Sensor}}} $) составляет 227,7 $ \ small {\ tfrac {\ tfrac {\ text {lp}} {\ text {мм }}} $, Что означает, что наименьший объект, который система может теоретически отобразить при увеличении 0,177X, составляет 12,4 мкм (с использованием альтернативной формы Equation 1 из Resolution).

(2) $$ \ xi _ {\ small {\ text {Sensor}}} = \ frac {1000 \ tfrac {\ large {\ unicode [Cambria Math] {x03BC}} \ normalsize {\ text {m }}} {\ text {мм}}} {2 \ times 2.2 \ large {\ unicode [Cambria Math] {x03BC}} \ normalsize {\ text {m}}} \ cong 227.7 \ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}} $$

(2)

$$ \ xi _ {\ small {\ text {Sensor}}} = \ frac {1000 \ tfrac {\ mu {\ text {m}}} {\ text {mm}}} {2 \ times 2.2 \ mu {\ text {m}}} \ cong 227.7 \ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}} $$

Имейте в виду, что с этими расчетами не связано значение контрастности. Левая часть На рис. 1а показаны изображения двух элементов на мишени ВВС США 1951 года; левое изображение показывает два пикселя на объект, а правое изображение показывает один пиксель на объект.На частоте Найквиста датчика (227 $ \ small {\ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}}} $) система отображает цель с контрастностью 8,8%, что ниже рекомендованных 20%. минимальный контраст для надежной системы визуализации. Обратите внимание, что при увеличении размера элемента в два раза до 24,8 мкм контраст увеличивается почти в три раза. В практическом смысле система визуализации была бы намного более надежной на половине частоты Найквиста.

(3) $$ \ xi _ {\ small {\ text {Object Space}}} = \ xi _ {\ small {\ text {Sensor}}} \ times m = 227 \ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}} \ times 0.177 \ cong 40.3 \ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}} \ cong 12.4 \ large {\ unicode [Cambria Math] {x03BC}} \ normalsize {\ text {m}} $$

(3)

$$ \ xi _ {\ small {\ text {Object Space}}} = \ xi _ {\ small {\ text {Sensor}}} \ times m = 227 \ tfrac {\ text {lp}} {\ text {мм }} \ times 0.177 \ cong 40.3 \ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}} \ cong 12.4 \ mu {\ text {m}} $$

Вывод о том, что система формирования изображения не смогла надежно отобразить объект размером 12,4 мкм, находится в прямом противоречии с тем, что показывают уравнения в разрешении, поскольку математически объекты попадают в пределы возможностей системы.Это противоречие подчеркивает, что вычислений и приближений первого порядка недостаточно, чтобы определить, может ли система визуализации достичь определенного разрешения. Кроме того, расчет частоты Найквиста не является надежной метрикой, на которой можно было бы заложить основу разрешающей способности системы, и его следует использовать только в качестве ориентира для ограничений, которые будет иметь система. Контраст в 8,8% слишком мал, чтобы считаться точным, поскольку незначительные колебания условий могут легко снизить контраст до неразрешимого уровня.

На рисунках 1b и 1c показаны изображения, аналогичные изображениям на MT9P031, хотя использовались датчики Sony ICX655 (пиксели 3,45 мкм) и ON Semiconductor KAI-4021 (пиксели 7,4 мкм). Левые изображения на каждом рисунке показывают два пикселя на элемент, а правые изображения показывают один пиксель на элемент. Основное различие между тремя рисунками состоит в том, что все контрасты изображений на рисунках 1b и 1c превышают 20%, что означает (на первый взгляд), что они будут надежными при разрешении объектов такого размера.Конечно, объекты минимального размера, которые они могут разрешить, больше по сравнению с пикселями 2,2 мкм на рисунке 1a. Однако получение изображения на частоте Найквиста по-прежнему не рекомендуется, поскольку небольшие движения в объекте могут сместить желаемый элемент между двумя пикселями, что сделает объект неразрешимым. Обратите внимание, что по мере увеличения размеров пикселей с 2,2 мкм до 3,45 мкм до 7,4 мкм соответствующее увеличение контрастности с одного пикселя на элемент до двух пикселей на элемент оказывается менее значительным. На ICX655 (пиксели 3,45 мкм) контраст изменяется чуть менее чем в 2 раза; этот эффект еще больше уменьшается с KAI-4021 (7.4 мкм пикселей).

Рисунок 2: Изображения, снятые с помощью одного и того же объектива и условий освещения на трех разных датчиках камеры с тремя разными размерами пикселей. Верхние изображения делаются с четырьмя пикселями на элемент, а нижние изображения - с двумя пикселями на элемент.

Важное несоответствие в Рис. 1 - это разница между номинальной MTF объектива и реальной контрастностью реального изображения. Кривая MTF линзы наверху , рис. 1а, показывает, что линза должна достичь примерно 24% контраста на частоте 227l $ \ small {\ tfrac {\ text {lp}} {\ text {mm}}} $, когда полученное значение контраста было 8.8%. Этому различию способствуют два основных фактора: MTF сенсора и допуски линз. Большинство производителей сенсоров не публикуют кривые MTF для своих сенсоров, но они имеют ту же общую форму, что и линзы. Поскольку MTF на уровне системы является продуктом MTF всех компонентов системы, MTF объектива и датчика должны быть умножены вместе, чтобы обеспечить более точное заключение об общих возможностях разрешения системы.

Как упоминалось выше, допуск на MTF объектива также отклоняется от номинала.Все эти факторы в совокупности изменяют ожидаемое разрешение системы, и сама по себе кривая MTF объектива не является точным представлением разрешения на уровне системы.

Как видно из изображений , рис. 2 , наилучший контраст на системном уровне наблюдается в изображениях, снятых с более крупными пикселями. По мере уменьшения размера пикселя контрастность значительно падает. Рекомендуется использовать 20% в качестве минимального контраста в системе машинного зрения, поскольку любое значение контраста ниже этого слишком чувствительно к колебаниям шума, возникающим из-за колебаний температуры или перекрестных помех в освещении.Изображение, полученное с помощью объектива 50 мм и пикселя 2,2 мкм в , рис. 1a , имеет контраст 8,8% и слишком низок, чтобы полагаться на данные изображения для размеров элементов объекта, соответствующих размеру пикселя 2,2 мкм, потому что объектив находится на грани стать ограничивающим фактором в системе. Датчики с пикселями, размер которых намного меньше 2,2 мкм, безусловно, существуют и довольно популярны, но размер намного меньше этого размера становится практически невозможным для оптики для разрешения вплоть до уровня отдельных пикселей. Это означает, что уравнения, описанные в разделе «Разрешение», становятся бессмысленными с функциональной точки зрения для определения разрешения на уровне системы, а изображения, подобные тем, которые были сняты на вышеупомянутых рисунках, будет невозможно захватить.Тем не менее, эти крошечные пиксели все еще имеют применение - просто потому, что оптика не может разрешить весь пиксель, не делает их бесполезными. Для определенных алгоритмов, таких как анализ капель или оптическое распознавание символов (OCR), важно не столько то, может ли объектив действительно разрешаться до уровня отдельного пикселя, сколько о том, сколько пикселей можно разместить над конкретным элементом. С меньшими пикселями можно избежать субпиксельной интерполяции, что повысит точность любого измерения, сделанного с ее помощью. Кроме того, при переключении на цветную камеру с фильтром Байера уменьшается потеря разрешения.

Еще один важный момент, о котором следует помнить, заключается в том, что переход от одного пикселя на объект к двум пикселям на объект дает существенный возврат контраста, особенно на пикселях меньшего размера. Хотя при уменьшении частоты вдвое минимально разрешимый объект эффективно удваивается в размере. Если абсолютно необходимо видеть до уровня одного пикселя, часто лучше удвоить увеличение оптики и уменьшить вдвое поле зрения (FOV).

Это приведет к тому, что размер элемента будет охватывать вдвое больше пикселей, а контраст будет намного выше.Обратной стороной этого решения является то, что будет видна меньшая часть всего поля. С точки зрения датчика изображения лучше всего сохранить размер пикселя и удвоить размер формата датчика изображения. Например, система формирования изображения с 1-кратным увеличением, использующая датчик 1/2 дюйма с пикселем 2,2 мкм, будет иметь такое же поле обзора и пространственное разрешение, что и система 2-кратного увеличения, использующая 1-дюймовый датчик с пикселем 2,2 мкм, но с системой 2X, контраст теоретически увеличивается вдвое.

К сожалению, увеличение размера сенсора вдвое создает дополнительные проблемы для объективов.Одним из основных факторов, влияющих на стоимость объектива для формирования изображения, является размер формата, для которого он был разработан. При разработке линзы объектива для сенсора большего формата требуется больше отдельных оптических компонентов; эти компоненты должны быть больше, а допуск системы должен быть более жестким. Продолжая приведенный выше пример, объектив, предназначенный для датчика 1 дюйм, может стоить в пять раз дороже, чем объектив, предназначенный для датчика 1/2 дюйма, даже если он не может соответствовать требованиям к разрешению с ограничением по пикселям.

Рекомендуемые ресурсы

Указания по применению

Оптика и разрешение сенсора оптической системы

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

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

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

Эта круглая область называется диском Эйри и имеет радиус

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

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

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

Разделение диска Эйри и критерий Рэлея.

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

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

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

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

Объективов в аренду | Блог

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ !!

Давайте проясним; это не практичная или полезная статья. Это не поможет улучшить вашу фотографию или кинематографию. Это не поможет вам выбрать оборудование в ближайшие пару лет. Он не станет кормом для вашей следующей форумной войны. Это просто компьютерная статья, которая может заинтересовать некоторых людей. Это может дать небольшое представление о том, что может произойти в будущем, и некоторое представление о том, какую работу мы на самом деле делаем за кулисами в Olaf.Так что, если вам интересны подобные вещи, прочтите .

Пару лет назад тестирующий заказчик попросил нас определить, какие объективы могут получить максимальное разрешение от 150-мегапиксельного сенсора. Многие люди предполагали, что линзы с самым высоким разрешением при стандартном разрешении будут линзами с самым высоким разрешением при более высоком разрешении. Предположения - это темная материя Интернета; мы не можем их увидеть, но мы знаем, что они составляют большую часть массы.

Мы стараемся не предполагать, поэтому мы протестировали несколько объективов на высоких частотах на стенде MTF (высокочастотный MTF - это в основном высокое разрешение на камере).Это требует тестирования MTF при сверхвысоком разрешении, намного более высоком, чем у любой современной камеры. Производитель хотел 240 линий / мм (по сравнению с 50 линиями / мм, которые мы используем в настоящее время). Я не был уверен, что это необходимо, и на самом деле не был уверен, что мы сможем это сделать, поэтому мы остановились на 200 lp / mm. Если вы хотите понять, что все это значит, вы можете прочитать вышеуказанный пост или отличный пост Брэндона Дьюба. Или вы можете просто принять это и двигаться дальше.

Не было фото- или видеообъективов с разрешением 200 лин / мм на открытой диафрагме.(Нашим стандартом для «решимости» было MTF 0f 0,3; MTF 0,2 было пограничным. Есть некоторые доказательства, подтверждающие эти ограничения, но кто-то может их оспорить. Подождите, это Интернет. Кто-то БУДЕТ спорить с ними; это то, что кто-то живет за.)

Мы нашли несколько объективов с постоянным фокусным расстоянием, которые соответствовали этим критериям при диафрагме f / 4 в центре изображения, но ни один из них не подходил 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 не шире 50 мм было действительно приемлемым, хотя Canon 35mm f1.4 Mk II и Sigma 35mm f / 1.4 Art были близки.

Назад в будущее

Два года спустя этот покупатель спросил нас, знаем ли мы о каких-либо других объективах, которые им следует рассмотреть. С тех пор, как мы провели эти тесты, было выпущено много линз, и некоторые из этих линз соответствуют критериям возможного «сверхвысокого» разрешения; простые с фокусным расстоянием 85 мм и более.Производители, очевидно, делают эти объективы для камер как минимум с более высоким разрешением. Так что, возможно, некоторые из новых линз будут разрешать «сверхвысокие» частоты лучше, чем некоторые из старых линз, которые мы тестировали.

Итак, мы проверили несколько новых объективов вплоть до 240 лин / мм, чего достаточно, чтобы сделать 200-мегапиксельную камеру FF стоящей. Чтобы было ясно, это НЕ приближается к камере рядом с вами в ближайшее время; это исследовательский проект. Но если исследователи создают такой сенсор, имеет смысл знать, какие линзы получат от сенсора наилучшие результаты.Это не проверка того, разрешает ли выход объектива или сенсора другое, потому что этого не происходит. (Для тех из вас, кто верит в мегапиксели восприятия или в то, что Земля плоская, я включил приложение, чтобы немного прояснить это - без математики сложнее, 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 разрешить такие высокие частоты. Чтобы дать вам ссылку, вот несколько объективов, которые в прошлый раз соответствовали нашим критериям (обратите внимание, что для них мы установили самую высокую частоту на уровне 200 лин / мм).

Sigma 135mm f / 1.8 DG HSM Art при f / 4

Lensrentals.com, 2017

Zeiss 85mm APO-Planar Otus при диафрагме f / 4

Lensrentals.com, 2017

Zeiss 55mm Otus Distagon на f / 4

Lensrentals.com, 2017

Canon EF 35mm f / 1.4 Mk II USM

Lensrentals.com, 2017

35-мм объектив, имя которого нельзя произносить

Вы видели лучшие результаты, которые у нас были, от линз, которые можно было купить и использовать.Мы видели один объектив, который нельзя купить, прототип объектива, который, вероятно, никогда не будет изготовлен, был поистине потрясающим, особенно для фокусного расстояния 35 мм.

Оптические испытания Олафа, 2017 г.

Итак, вот 35-миллиметровый объектив, не уступающий 55-метровому Otus; Дело в том, что он хорош на f / 2.8 и не сильно улучшается при f / 4. Я сделал это просто, чтобы показать, что нынешние объективы не предназначены для максимальной отдачи при сверхвысоком разрешении, но это возможно.

Мы хотим подняться выше

В прошлый раз мы установили наш пик на уровне 200 линий / мм, хотя клиент действительно хотел 240 линий / мм.Мы не думали, что более высокое значение действительно необходимо, и, честно говоря, мы не были уверены, что какой-либо из наших объективов сможет адекватно разрешить даже 200 лин / мм. На этот раз, однако, мы чувствовали себя комфортно, мы могли протестировать на 240 lp, и, сделав это, давайте также протестируем на 192 lp / мм, что довольно близко к исходному пику в 200 lp.

Для начала мы повторили тест на Sigma 135mm f1.8 Art. Вы можете сравнить это с тем, что было сделано выше на 200 lp. Помните, что это тесты с одной копией, поэтому образцы немного отличаются, но вы можете видеть, что голубая линия этого прогона (192 лин / мм) сопоставима с фиолетовой линией предыдущего объектива (200 линий / мм).Даже при 240 lp / мм MTF все еще превышает наше «пограничное» значение MTF, пороговое значение которого равно 0,2, по крайней мере, в центре, но оно не совсем достигает значения MTF 0,3.

Lensrentals.com, 2019

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

Результаты поиска новых линз

Sony 135 мм f1.8 GM

Начнем с обычной части «Роджер ожидал и был разочарован», потому что, в конце концов, разочарование - единственная цель ожиданий.Одной из причин, по которой я был взволнован тестированием новых объективов, было то, что у Sony 135mm f / 1.8 GM были 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 пробовали объектив при f / 4, но на самом деле он оказался немного лучше при f / 5, что мы покажем ниже. На высокой частоте он не так хорош, как Sigma.

Lensrentals.com, 2019

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

Итак, давайте посмотрим на парочку других кандидатов, которые, как мне показалось, могли бы очень хорошо подойти.

Sigma 105 мм f1.4 Арт при f / 4

Несмотря на то, что эта копия была слегка наклонена, по крайней мере, в центре, это первая линза, которая делает, хотя и почти не делает, наше «приемлемое» значение MTF 0,3 при 240 lp / мм. При 192 lp / мм это фактически соответствует MTF 0,4. Итак, у нас появился новый чемпион в области высокого разрешения, 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 соперник; не так хорош, как Sigma 105mm, но очень похож на Sigma 135mm.

Lensrentals.com, 2019

Canon 90 мм f2.8L TS-E Macro

Я не ожидал этого, но у нас был один под рукой, поэтому мы решили попробовать. Установите низкие ожидания, и они оправдаются. Опять же, не поймите меня неправильно, это действительно очень хороший объектив, но он не так хорош при сверхвысоком разрешении.

Lensrentals.com, 2019

Sigma 40mm f1.4 Art

Мы узнали из более раннего тестирования, что широкоугольные объективы не так хорошо работают на этих частотах.Но Sigma 40mm Art настолько впечатляюще тестировался на нормальном MTF, что мы подумали, что, по крайней мере, стоит попробовать.

Lensrentals.com, 2019

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

Резюме:

Я говорю «резюме», потому что здесь нет практических или полезных выводов.Интересно, наверное, только то, что только действительно хорошие объективы могут снимать сверхвысокие разрешения, которые вам никогда не понадобятся. Однако даже среди этих действительно хороших объективов вы не можете предположить, как объектив будет работать при сверхвысоком разрешении, основываясь на его результатах при нормальном разрешении. Вы также можете видеть, что сверхвысокое разрешение получить немного легче при коротком телеобъективе, 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 при разрешении более чем в два раза выше, чем то, что вам может понадобиться сегодня.

Роджер Чикала, Аарон Клос и Брэндон Дьюб

Lensrentals.com

Октябрь, 2019

Приложение: Почему мегапиксели восприятия глупы

Несколько раз в неделю меня спрашивают, может ли этот объектив «разрешить» такое количество мегапикселей. Некоторые люди думают, что объектив должен быть «сертифицирован» на определенное количество пикселей или что-то в этом роде. Это не так. Это не так, как все работает.

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

Что, если бы я получил лучшую камеру и лучший объектив? Что ж, теоретически все было бы так хорошо, что я мог бы видеть муравьев, если бы достаточно увеличил изображение. MTF - это своего рода мера того, насколько резким будет это изображение и сколько деталей оно содержит.(Детальной частью будет MTF с большей частотой.) Это, конечно, будет MTF всей системы, камеры и объектива.

Многие думают, что это будет «в зависимости от того, что меньше 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. Это работает очень просто: MTF системы = MTF камеры x MTF объектива. Максимальное значение MTF равно 1.0, потому что 1.0 идеально.Итак, допустим, MTF моей камеры составляет 0,7, а MTF объектива - 0,7, тогда MTF моей системы составляет 0,49 (MTF объектива x MTF камеры). На самом деле это довольно разумная система.

Теперь предположим, что я получил гораздо лучшую камеру с гораздо более высоким разрешением; ФПМ камеры - 0,9. Системная МПФ 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 держал его на той же камере. Камера практически никогда не «снимает разрешение объектива».

Вы могли бы получить этот «мегапиксель восприятия», если бы объектив (или камера) действительно отстой.Допустим, мы использовали дрянной зум-объектив из комплекта с MTF 0,3. Со старой камерой; 0,3 Х 0,7 = 0,21. Давайте потратим целое состояние на новую, лучшую камеру, и мы получим 0,3 X 0,9 = 0,27. Таким образом, общая MTF нашей системы выросла лишь немного (0,07), потому что объектив действительно плохой. Но если бы это был просто средний объектив или лучший объектив (допустим, MTF был 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 перестанет работать с этим объективом?», Вы звучите глупо.

Правило Роджера: если у вас плохой объектив или плохая камера, сначала улучшите плохую часть; вы получите больше отдачи за свои $. Я только что увидел ветку о том, что кто-то хочет перейти на новейшую 60-мегапиксельную камеру, и у всех его объективов были средние зумы. Меня тошнило.

Автор: Роджер Чикала

Я Роджер и основатель Lensrentals.com. Меня называют одним из оптических ботаников, и в свободное время я с удовольствием снимаю коллимированный свет через объективы микроскопа с 30-кратным увеличением.Когда я делаю реальные снимки, мне нравится использовать что-то другое: средний формат, или Pentax K1, или Sony RX1R.

Разрешают ли датчики линзы?

Рубен Осуна и Эфраин Гарсия

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

_____________________________________________________________

Основное разрешение объектива

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

_____________________________________________________________

Форматы затрудняют сравнение

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

Дело здесь в том, что вы не можете напрямую сравнивать кривые MTF объектива, предназначенного для формата 35 мм, и объектива, предназначенного для формата APS-C или Four Thirds. Даже если вы используете объектив, предназначенный для формата 35 мм, на кадрированном датчике, относительные характеристики этого объектива трудно измерить, как объяснил Эрвин Путс. Кривые разрешения 40 линий / мм для формата 35 мм эквивалентны кривым разрешения 60 линий / мм в формате APS-C (кроп-фактор x1,5), кривым 80 lp / мм в формате Four Thirds (кроп-фактор x2) и Кривые 30 линий / мм в цифровом (обрезанное 645, то есть 36x48 мм) среднем формате (x0.72 относительно 35 мм).

Например,

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

_____________________________________________________________

Воспринимаемое качество и аргумент круга смешения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 4: Изолированная точка, пара линий

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

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

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

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

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

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

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

_____________________________________________________________

Дифракция ограничивает разрешение системы

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

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

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

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

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

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

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

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


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

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

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

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

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

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

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

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

Случай ~ 80% представлен на Рисунке 9 . Вы можете разрешить 1/2 пары линий на диаметр диска Эйри с разделением диаметра диска Эйри (есть некоторое перекрытие паттернов Эйри в области 2, которая обнаруживает «черную» линию, и результирующий контраст не является максимальным ).


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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

См. Снова Рисунок 2 : объектив ограничивает разрешение системы на основе пикселей 5 микрон с диафрагмой f / 22, но это также относится к f / 16, f / 11 или даже f / 8.Этот шаг пикселя приводит к датчику 4/3 на 10 МП, датчику APS-C 15, датчику 35 МП формата 35 мм и датчику на 70 МП размером 36x48 мм. Сравните теперь эти числа со значениями, представленными в Таблице 3 . Только для объективов с высокой степенью коррекции (с лучшими характеристиками при f / 5,6, чем при f / 8) более высокое разрешение сенсора имеет смысл. Например, вы можете поместить 60 миллионов пикселей в датчик 35 мм, но только объектив с ограничением дифракции при f / 5,6 воспользуется этим преимуществом.Цена, которую нужно заплатить, - это огромные файлы и сравнительно низкое соотношение сигнал / шум (что приводит к шуму, более узкому динамическому диапазону, меньшей тональной изменчивости ... см., Например, обзоры Olympus E-3 на dpreview.com и Светящийся пейзаж). Единственный альтернативный способ получить больше деталей - это большая поверхность захвата, то есть больший формат, но аберрации сложнее контролировать для больших световых кругов (см. Переменную «Y» в этой таблице).

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

_____________________________________________________________

Выводы

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

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

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

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

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

июнь - 2008

Разрешение оптики

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

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

Стандартный объектив

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

Объектив высокого разрешения

Даже небольшие структуры четко распознаются с помощью сенсора высокого разрешения.Также в пограничных областях изображение выглядит резким. Вырез изображения с разрешением 640x480 пикселей из 5-мегапиксельного изображения (камера с маленькими пикселями сенсора 3,45 мкм)

Ограничение разрешения: дифракционные эффекты

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

Остановить объектив: ограничение разрешения

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

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

Важное значение для машинного зрения

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

Что такое диаграмма MTF объектива и как ее читать | Технология объектива NIKKOR

Функция передачи модуляции или «MTF» - это измерение потенциала оптических характеристик объектива. Диаграммы MTF могут дать вам лучшее представление об оптическом качестве различных объективов NIKKOR и могут быть полезными справочными материалами при исследовании, сравнении и покупке объективов.Таблицы MTF можно найти на веб-страницах, посвященных каждому объективу NIKKOR, на веб-сайте Nikon.

Диаграмма MTF отображает контраст и разрешение линзы от центра до краев по сравнению с «идеальной» линзой, которая пропускала бы 100% света, проходящего через нее. Контраст объектива важен, поскольку он работает в зависимости от разрешения объектива.

Использование диаграммы MTF является предпочтительным методом для изучения оптических характеристик объектива, поскольку они используют теоретические уравнения для построения графика характеристик и не полагаются на субъективное мнение, предмет, характеристики камеры, программное обеспечение или другие факторы.

Ось Y (вертикальная ось) диаграммы MTF отображает пропускание света через линзу с максимальным значением «1.0», которое указывает на 100% пропускание света, хотя 100% пропускание света невозможно, потому что стекло не на 100% прозрачное.

Ось x (горизонтальная ось) показывает расстояние от центра изображения до его краев. Таким образом, «0» в нижнем левом углу представляет центр линзы, а числа вдоль нижней оси представляют расстояние до края линзы в миллиметрах.

Как читать график MTF

На графике Nikon MTF нанесены две группы данных: сагиттальные и меридониальные линии.

«Сагиттальные линии» (сплошные линии) представляют собой измерения контраста пар линий, которые проходят параллельно центральной диагональной линии, проходящей через середину линзы от нижнего левого угла к верхнему правому углу.

«Меридониальные линии» (пунктирные линии) представляют пары линий, также расположенных вдоль воображаемой линии от центра линзы до края, но эти пары линий перпендикулярны диагональной линии.

Есть две группы тестовых линий для каждого сагиттального и меридониального значения: одна группа или пары линий из расчета 10 линий на миллиметр и вторая группа из 30 линий на миллиметр. Нижние пары линий (10 линий / мм) обычно отображаются на графике выше, чем более сложное точное разрешение 30 линий / мм.

O5) Оптическое разрешение камеры и системы линз

Оптическое разрешение

определяется как элемент наименьшего размера, который может разрешить данная оптическая система.Разрешение связано с контрастом - способностью системы различать оттенки серого. Для простоты тема оптического разрешения в этой статье обсуждается независимо от контраста, а тема функции передачи модуляции (MTF) рассматривается в отдельной статье.

Камеры и объективы по-разному влияют на общее оптическое разрешение системы «камера + объектив». Меньшее из двух обычно устанавливает оптическое разрешение системы. Из-за этого можно сказать, что оптическое разрешение всей системы ограничено камерой или объективом.

Хотя это не всегда так, камеры, как правило, дороже, чем объективы, поэтому цель большинства разработчиков систем состоит в том, чтобы сначала выбрать камеру на основе требований «фотоники», а затем выбрать объектив с оптическим разрешением, равным лучше или равно оптическому разрешению камеры.

Как указывается оптическое разрешение объектива?

Производители линз обычно указывают это число как спецификацию оптического качества линз.Обычно он указывается в парах линий на миллиметр и зависит от оптического качества линзы, включая конструкцию линзы (включая производственные допуски) и материалы, которые влияют на общее оптическое разрешение линзы.

5 пар линий на мм, состоящие из 10 равноотстоящих линий, из которых 5 черные и 5 белые. Каждая пара линий = 1 мм / 5 = 1000 мкм / 5 = 200 мкм

Пара линий: 1 черная линия + 1 белая линия, каждая 100 мкм

Обратите внимание, что оптическое разрешение линзы в lp / мм может быть указано двумя разными числами , представляющий оптическое разрешение при центральном | Периферические области хрусталика.Например, для объективов серии 1-1955x указано значение Center | Разрешение края 100 | 160 линий / мм соответственно. Это заставляет производителя линз обеспечивать более высокое оптическое качество в центре области изображения, что имеет тенденцию быть более важным для пользователей. Допущение немного более низкого разрешения по направлению к краю позволяет производителю линз производить более рентабельные линзы.

Если линза способна разрешать 100 линий на миллиметр, это означает, что линза может разрешать до 100 линий одинакового размера, которые достаточно малы, чтобы уместиться в пределах 1 мм; для этого каждая строка должна быть 0.01 мм в ширину. Это соответствует пределу оптического разрешения 10 мкм для системы, если не ограничено чем-то другим (например, размером пикселей).

Как размер пикселя камеры влияет на оптическое разрешение системы?

Как показано, предельный размер пикселя для эффективной выборки этих линий с пикселями камеры составляет 100 мкм. Если бы размер пикселя был больше 100 мкм, информация о черных и белых линиях не была бы правильно выбрана. Как показано выше, если размер пикселя значительно больше 100 мкм, чередующийся черно-белый узор может быть преобразован в размытое серое изображение.

Предельное разрешение камеры с пикселями 100 мкм
= 1000 мкм / мм ÷ 2 x Размер пикселя (в мкм)
= 500 / Размер пикселя (в мкм) = 500/100 = 5lp / мм

Согласно Найквисту, требуется минимум два пикселя, чтобы выделить объект в изображении. Наивысшая пространственная частота, которую может разрешить датчик, частота Найквиста, фактически равна двум пикселям или одной паре линий. Таким образом, можно прийти к простой формуле для оценки пространственного разрешения камеры, ограниченного размером пикселя камеры:

1 мм = 1000 мкм

Разрешение, ограниченное размером пикселя камеры (в lp / мм) = 1000 / (2 x размер пикселя в мкм) = 500 / (размер пикселя в мкм).

Например, камера, основанная на преобразователях изображения Sony CMOS Pregius Gen2, таких как IMX264 или IMX304 с размером пикселя 3,45 мкм, может обеспечивать разрешение 500 / 3,45 = 145 линий / мм.

Ограниченное разрешение Найквиста для разных размеров пикселей

Датчик изображения типа Размер пикселя (мкм) Найквист Ограниченное разрешение (lp / мм)
Sony Starvis BSI 2.4 208,3
Sony Pregius Gen1 5,86 85,3
Sony Pregius Gen2 3.45 144,9
Sony Pregius Gen3 4,5 111,1
Sony Pregius Gen4 2.74 182,5
Sony SenSWIR 5,0 100
sCMOS_6.5 мкм 6,5 76,9
sCMOS_2,5 мкм 2,5 200

Системные требования

В общем, следует рассмотреть возможность использования объектива с более высоким оптическим разрешением, чем разрешение камеры, ограниченное размером пикселя.В приведенном выше примере камеры с тепловизором Sony CMOS Pregius Gen2 с пикселями 3,45 мкм, объектив из серии 1-1955x с оптическим разрешением 200 линий / мм в центре и 160 линий / мм по краям обеспечит более высокое оптическое разрешение системы, поскольку оно ограничено не объективом, а размером пикселя камеры.

Если такая камера используется с объективом, который ранее был описан как способный разрешать 100 lp / мм, система будет ограничена объективом, а не камерой. Это означает, что камера с оптическим разрешением 145 линий / мм ограничена объективом до 100 линий / мм.

Обратите внимание, что объективы с более низким оптическим разрешением можно использовать, если оптическое разрешение не является первостепенной задачей, и в таких случаях вполне можно использовать экономичные объективы с более низким разрешением.

Главный вывод здесь состоит в том, что нужно смотреть на размер пикселя камеры И оптическое разрешение объектива. Объектив в нашем примере, для которого указано оптическое разрешение 100 лин / мм (и, следовательно, не идеален для использования с пикселем 3,45 мкм), будет хорошо согласован с камерой, у которой ограниченный размер пикселя составляет 500/100 линп / мм [ размер пикселя ≤ 5 мкм].В этом случае линза 200 лин / мм будет излишней. Это также означает, что объектив 100 лин / мм в нашем предыдущем примере будет хорошо согласован с камерой, которая имеет, например, пиксели 5,5 мкм.

Разве дифракция не играет роли?

Стоит отметить, что системы камера + объектив обычно не имеют дифракционных ограничений в своем оптическом разрешении, за исключением случаев, когда диафрагма объектива установлена ​​на очень маленькую диафрагму (соответствующую большому f / #, обычно выше, чем f / 8). Оптическое разрешение системы камера + объектив, вероятно, будет ограничено оптическим качеством объектива (указывается в парах линий на мм) или размером пикселей в камере.

Это показано в таблице ниже. Числовая апертура рассчитывается по формуле NA = 1 / (2 * f / #). Ограниченное дифракцией разрешение оценивается на длине волны 550 нм с использованием критерия Рэлея:

.

Размер пятна, ограниченный дифракцией = 0,61 * лямбда / NA

Из вышеизложенного можно вывести ограниченное дифракцией разрешение в lp / мм, вычислив: 500 / Ограниченный дифракцией размер пятна (в мкм)

Если мы предположим, что указание производителя на качество оптики в центре объектива составляет 100 линий / мм, становится ясно, что общее оптическое разрешение ограничено оптическим качеством стекла (100 линий / мм) или камерой. пикселей (которые не указаны в этом примере) для всех f / # s, за исключением f / 16, при котором система будет ограничена дифракцией 93 lp / мм.

F / # и разрешение с ограничением дифракции

f / # NA Разрешение с ограничением дифракции (@ 550 нм) в мкм Дифракционно ограниченное разрешение (в lp / мм)
0.95 0,53 0,32 1569
1,4 0,36 0.47 1065
2 0,25 0,67 745
2.8 0,18 0,94 532
4 0,13 1.34 373
5,6 0,09 1,88 266
8 0.06 2,68 186
11 0,05 3,69 135
16 0.03 5,37 93

По этой причине влиянием дифракции на оптическое разрешение системы камера + объектив обычно можно не учитывать. Исключение составляют случаи использования, в которых объективы настроены на высокое значение f / #. Поскольку это часто делается для получения более высокой глубины резкости, нередко можно увидеть, как изображение заметно «смягчается», когда диафрагма опускается, чтобы улучшить глубину резкости.

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *