Resolución óptica

La resolución óptica describe la capacidad de un sistema de representación de resolver el detalle en el objeto que es imaged.

Un sistema de representación puede tener muchos componentes individuales incluso una lente y grabación y mostrar componentes. Cada uno de éstos contribuye a la resolución óptica del sistema, como va el ambiente en el cual la representación se hace.

Resolución lateral

La resolución depende de la distancia entre dos puntos de irradiación distinguibles. Las secciones abajo describen las estimaciones teóricas de la resolución, pero los valores reales se pueden diferenciar. Los resultados abajo están basados en modelos matemáticos de discos Bien ventilados, que asume un nivel adecuado del contraste. En sistemas de contraste bajo, la resolución puede ser mucho más baja que predito por la teoría perfilada abajo. Los verdaderos sistemas ópticos son dificultades complejas y practial a menudo aumentan la distancia entre fuentes del punto distinguibles.

La resolución de un sistema está basada en la distancia mínima a la cual los puntos se pueden distinguir como individuos. Varios estándares son usados para determinar, cuantitativamente, si los puntos se pueden distinguir. Uno de métodos especifica que, en la línea entre el centro de un punto y el siguiente, el contraste entre la intensidad máxima y mínima ser al menos 26% más bajo que el máximo. Esto equivale al traslapo de un disco bien ventilado en el primer anillo oscuro en el otro. Este estándar para la separación también se conoce como el criterio de Rayleigh En símbolos, la distancia se define así

:

donde

:is la distancia mínima entre puntos solubles, en las mismas unidades que

la lambda </matemáticas> se especifica

: es la longitud de onda de luz, longitud de onda de la emisión, en caso de la fluorescencia,

: es el índice de refracción de los medios que rodean los puntos radiantes,

: es la mitad del ángulo del lápiz de luz que entra en el objetivo y

: es la abertura Numérica

Esta fórmula es conveniente para la microscopia confocal, pero también se usa en la microscopia tradicional. En confocal microscopios explorados por el láser, la anchura llena la mitad de medio máximo (FWHM) de la función de extensión del punto a menudo es usada para evitar la dificultad de medir el disco Bien ventilado. Esto, combinado con el modelo de la iluminación rastered, causa la mejor resolución, pero está la fórmula situada en Rayleigh todavía proporcional dada encima.

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También común en la literatura de la microscopia es una fórmula para la resolución que trata las preocupaciones arriba mencionadas por el contraste diferentemente. La resolución predita por esta fórmula es proporcional a la fórmula situada en Rayleigh, que se diferencia en aproximadamente el 20%. Para estimar la resolución teórica, puede ser adecuado.

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Cuando un condensador es usado para iluminar la muestra, la forma del lápiz de luz eminating del condensador también se debe incluir.

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En un microscopio correctamente configurado.

Las susodichas estimaciones de la resolución son específicas para el caso en cual dos muy pequeñas muestras idénticas que irradian incoherentemente en todas las direcciones. Otras consideraciones se deben considerar si las fuentes irradian a niveles diferentes de la intensidad, son coherentes, grandes, o irradian en modelos no uniformes.

Resolución de la lente

La capacidad de una lente de resolver el detalle es por lo general determinada por la calidad de la lente, pero es por último limitada por la difracción. La luz que viene de un punto en el objeto se difracta a través de la abertura de la lente tal que forma un modelo de la difracción a la imagen que tiene un punto central y alrededores de anillos brillantes, separados por nulls oscuro; este modelo se conoce como un modelo Bien ventilado y el lóbulo brillante central como un disco Bien ventilado. El radio angular del disco Bien ventilado (medido del centro al primer nulo) da

:

Dos puntos contiguos en el objeto dan ocasión a dos modelos de la difracción. Si la separación angular de los dos puntos es considerablemente menos que el disco Bien ventilado el radio angular, entonces los dos puntos no se pueden resolver a la imagen, pero si su separación angular es mucho mayor que esto, las imágenes distintas de los dos puntos se forman y se pueden por lo tanto resolver. Rayleigh definió el "criterio de Rayleigh algo arbitrario" que se puede considerar que dos puntos cuya separación angular es igual al radio del disco Bien ventilado al primer nulo se resuelven. Se puede ver que mayor el diámetro de la lente o su abertura, mayor la resolución. Los telescopios astronómicos tienen lentillas cada vez más grandes por tanto pueden 'ver' el detalle alguna vez más fino en las estrellas.

Sólo las lentillas muy de la calidad más alta tienen la resolución limitada de la difracción, sin embargo, y normalmente la calidad de la lente limita su capacidad de resolver el detalle. Esta capacidad es expresada por la Función de Transferencia Óptica que describe la variación (angular) espacial de la señal ligera como una función de la frecuencia (angular) espacial. Cuando la imagen se proyecta en un avión llano, como la película fotográfica o un detector del estado sólido, la frecuencia espacial es la esfera preferida, pero cuando la imagen se manda a la lente sola, la frecuencia angular se prefiere. OTF se puede dividir abajo en la magnitud y componentes de la fase así:

:

donde

:

:

Los:and son la frecuencia espacial en el x-y y-avión, respectivamente.

El OTF explica la aberración, que la expresión de frecuencia restrictiva encima no hace. La magnitud se conoce como Modulation Transfer Function (MTF) y la parte de la fase se conoce como Phase Transfer Function (PTF).

En sistemas de representación, el componente de la fase no es típicamente capturado por el sensor. Así, la medida importante con respecto a sistemas de representación es el MTF.

La fase es críticamente importante para óptica adaptable y sistemas holográficos.

Resolución del sensor (espacial)

Algunos sensores ópticos se diseñan para descubrir diferencias espaciales en la energía electromagnética. Éstos incluyen la película fotográfica, dispositivos transistorizados (CCD, detectores de CMOS y detectores infrarrojos como PtSi e InSb), detectores del tubo (vidicon, plumbicon, y tubos del fotomultiplicador usados en dispositivos de la visión nocturna), explorando detectores (principalmente usado para IR), pyroelectric detectores y detectores microbolometer. La capacidad de tal detector de resolver aquellas diferencias depende generalmente de la talla de los elementos de descubrimiento.

La resolución espacial típicamente se expresa en pares de la línea por milímetro (lppmm), líneas (de la resolución, generalmente para el vídeo análogo), contraste contra ciclos/mm o MTF (el módulo de OTF)). El MTF se puede encontrar tomando a Fourier de dos dimensiones transforman de la función de prueba espacial. Los pixeles más pequeños causan curvas de MTF más amplias y así mejor descubrimiento de la energía de frecuencia más alta.

Esto es análogo a la toma de Fourier transforman de una función de prueba de la señal; como en este caso, el factor dominante es el período de prueba, que es análogo a la talla del elemento de cuadros (pixel).

Otros factores incluyen el ruido del pixel, la diafonía del pixel, substrate penetración, y llenan el factor.

Un problema común entre no técnicos es el uso del número de pixeles en el detector para describir la resolución. Si todos los sensores fueran la misma talla, esto sería aceptable. Ya que no son, el uso del número de pixeles puede ser engañoso. Por ejemplo, una 2 cámara del megapixel de pixeles cuadrados de 20 micrometros tendrá la resolución peor que una 1 cámara del megapixel con pixeles de 8 micrometros, todo lo demás siendo igual.

Para la medida de la resolución, los fabricantes de la película típicamente publican un complot de Respuesta (%) contra la Frecuencia Espacial (ciclos por milímetro). El complot se saca experimentalmente. El sensor del estado sólido y los fabricantes de la cámara normalmente publican especificaciones de las cuales el usuario puede sacar MTF teórico según el procedimiento perfilado abajo. Unos cuantos también pueden publicar curvas de MTF, mientras los otros (sobre todo fabricantes del intensificador) publicarán la respuesta (%) en la frecuencia de Nyquist, o, o bien, publicarán la frecuencia en la cual la respuesta es el 50%.

Para encontrar MTF teórico tuercen para un sensor, es necesario saber tres características del sensor: el área de detección activa, el área que comprende el área de detección y la interconexión y estructuras de apoyo ("bienes inmuebles") y el número total de aquellas áreas (la cuenta del pixel). Siempre dan casi a la cuenta del pixel total. A veces dan las dimensiones del sensor totales, de las cuales el área de bienes inmuebles se puede calcular. Si el área de bienes inmuebles se da o se saca, si no dan el área del pixel activa, se puede sacar del área de bienes inmuebles y el factor llenar, donde se llenan el factor es la proporción del área activa al área de bienes inmuebles dedicada.

:

donde

En la nota de Gaskill, el área de detección es un 2do peine (x, y) la función de la distancia entre pixeles (el tono), enroscado con 2do rect (x, y) la función del área activa del pixel, saltó por 2do rect (x, y) la función de la dimensión del sensor total. Fourier transforma de esto es una función gobernada por la distancia entre pixeles, enroscados con una función gobernada por el número de pixeles y multiplicada por la función correspondiente al área activa. Esa última función sirve de un sobre total a la función de MTF; mientras que el número de pixeles es mucho mayor que un (1), entonces la talla del área activa domina el MTF.

Prueba de función:

:

Los \left [\operatorname {peinan }\\dejado (\frac {x} {c}, \frac {y} {d }\\derecho) *

El \operatorname {rect }\\se fue (\frac {x} un, \frac {y} {b }\\derecho) \right] \cdot

El \operatorname {rect }\\dejó (\frac {x} {M \cdot c}, \frac {y} {N \cdot d }\\derecho) </matemáticas>

donde el sensor tiene pixeles M×N

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Resolución del sensor (temporal)

Un sistema de representación que corre en 24 marcos por segundo es esencialmente un sistema de prueba distinto que muestras una 2da área. Las mismas limitaciones descritas por Nyquist se aplican a este sistema en cuanto a cualquier sistema de prueba de la señal.

Todos los sensores tienen una respuesta del tiempo característica. La película es limitada tanto en la resolución corta como en los extremos de la resolución largos por la avería de reciprocidad. Se cree típicamente que éste es algo más largo que 1 segundo y más corto que el segundo 1/10,000. Además, la película requiere que un sistema mecánico lo avance a través del mecanismo de exposición o un sistema óptico móvil para exponerlo. Éstos limitan la velocidad con la cual los marcos sucesivos se pueden exponer.

CCD y CMOS son las preferencias modernas de sensores de vídeo. CCD es limitado con la velocidad por el precio al cual el precio se puede mover de un sitio al otro. CMOS tiene la ventaja de tener células individualmente direccionables, y esto ha llevado a su ventaja en la industria de la fotografía de la alta velocidad.

Vidicons, Plumbicons y los intensificadores de la imagen tienen aplicaciones específicas. La velocidad con la cual se pueden probar depende del precio del decaimiento del fósforo usado. Por ejemplo, el fósforo P46 tiene un tiempo del decaimiento de menos de 2 microsegundos, mientras el tiempo del decaimiento de P43 está a la orden de 2-3 milisegundos. El P43 es por lo tanto inservible a precios del marco encima de 1000 marcos por segundo (frame/s). Ver Enlaces externos para relaciones a la información de fósforo.

Los detectores de Pyroelectric responden a cambios de la temperatura. Por lo tanto, una escena estática no se descubrirá, por tanto requieren tajaderas. También tienen un tiempo del decaimiento, por tanto el sistema pyroelectric la respuesta temporal será un bandpass, mientras los otros detectores hablados serán un lowpass.

Si los objetos dentro de la escena están en el movimiento con relación al sistema de representación, el aspecto borroso de movimiento que resulta causará la resolución espacial inferior. Los tiempos de integración cortos minimizarán el aspecto borroso, pero los tiempos de integración son limitados por la sensibilidad del sensor. Además, el movimiento entre marcos en películas afectará esquemas de compresión de la película digitales (p.ej. MPEG-1, MPEG-2). Finalmente, allí prueban esquemas que requieren el movimiento verdadero o aparente dentro de la cámara (explorando espejos, haciendo rodar postigos) que puede causar la interpretación incorrecta del movimiento de la imagen. Por lo tanto, la sensibilidad del sensor y otros factores relacionados con el tiempo tendrán un impacto directo en la resolución espacial.

Efecto de la amplitud de banda análogo en resolución

La resolución espacial de sistemas digitales (p.ej. HDTV y VGA) se fijan independientemente de la amplitud de banda análoga porque cada pixel se digitaliza, se transmite y se almacena como un valor distinto. Las cámaras digitales, los registradores y las pantallas se deben seleccionar de modo que la resolución sea idéntica de la cámara para mostrar. Sin embargo, en sistemas análogos, la resolución de la cámara, registrador, tendido de cables, amplificadores, transmisores, receptores y pantalla puede ser todo independiente y la resolución del sistema total es gobernada por la amplitud de banda del componente de realización más bajo.

En sistemas análogos, cada línea horizontal se transmite como una señal análoga de alta frecuencia. Cada elemento de cuadros (pixel) por lo tanto se convierte a un valor eléctrico análogo (voltaje) y cambia de valores entre pixeles por lo tanto se hacen cambios del voltaje. Los estándares de transmisión requieren que la prueba se haga en un tiempo fijo (perfilado abajo), por tanto más pixeles por línea se hacen un requisito para más cambios del voltaje por unidad de tiempo, es decir frecuencia más alta. Ya que tales señales son típicamente limitadas por el grupo por cables, amplificadores, registradores, transmisores, y receptores, la limitación del grupo de las acciones de la señal análogas como un filtro del pase bajo eficaz en la resolución espacial. La diferencia en resoluciones entre VHS (240 líneas perceptibles por scanline), Betamax (280 líneas), y el formato de ED Beta más nuevo (500 líneas) es explicada principalmente por la diferencia en la amplitud de banda de grabación.

En el estándar de transmisión NTSC, cada campo contiene 262.5 líneas, y 59.94 campos se transmiten cada segundo. Cada línea debe tomar por lo tanto 63 microsegundos, 10.7 de los cuales son para el reinicio a la siguiente línea. Así, el precio recordar es 15.734 kilohercios. Para el cuadro para parecer tener aproximadamente la misma resolución horizontal y vertical (ver el factor de Kell), debería ser capaz de mostrar 228 ciclos por línea, requiriendo una amplitud de banda de 4.28 MHz. Si la línea (sensor) la anchura se conoce, esto se puede convertir directamente en ciclos por milímetro, la unidad de la resolución espacial.

Las señales del sistema de la televisión de B/G/I/K (por lo general usado con el color del AMIGO que codifica) transmiten marcos menos a menudo (50 Hz), pero el marco contiene más líneas y es más amplio, por tanto los requisitos de la amplitud de banda son similares.

Note que una "línea perceptible" forma una mitad de un ciclo (un ciclo requiere una oscuridad y una línea ligera), por tanto "228 ciclos" y "456 líneas" son medidas equivalentes.

Resolución del sistema

Hay dos métodos por los cuales determinar la resolución del sistema. El primer debe realizar una serie de dos circunvoluciones dimensionales, primero con la imagen y la lente, entonces el resultado de ese procedimiento con el sensor, etcétera a través de todos los componentes del sistema. Esto es computacionalmente caro, y se debe realizar de nuevo para cada objeto de ser imaged.

El otro método es transformar cada uno de los componentes del sistema en la esfera de frecuencia espacial, y luego multiplicar los 2dos resultados. Una respuesta del sistema se puede determinar sin referirse a un objeto. Aunque este método sea bastante más difícil de entender conceptualmente, se hace más fácil usar computacionalmente, sobre todo cuando las iteraciones del diseño diferentes o los objetos de imaged se deben probar.

La transformación para usarse es Fourier transforman.

Resolución ocular

El ojo humano es un rasgo restrictivo de muchos sistemas, cuando el objetivo del sistema es presentar datos a la gente para el procesamiento.

Por ejemplo, en una seguridad o función del control del tráfico aéreo, la estación de trabajo y demostración se debe construir de modo que la gente media pueda descubrir problemas y medidas correctivas directas. Otros ejemplos son cuando un humano usa ojos para realizar una tarea crítica como el vuelo (pilotando por la referencia visual), conduciendo un vehículo, etcétera.

La mejor agudeza visual del ojo humano en su centro óptico (el fovea) es menos de 1 minuto del arco por par de la línea, reduciendo rápidamente lejos del fovea.

El cerebro humano requiere que más que sólo un par de la línea entienda lo que el ojo es la representación. Los Criterios de Johnson definen el número de pares de la línea de la resolución ocular o resolución del sensor, tenían que reconocer o identificar un artículo.

Resolución atmosférica

Los sistemas que miran caminos atmosféricos largos pueden ser limitados por la turbulencia. Una medida clave de la calidad de la turbulencia atmosférica es el diámetro de vista, también conocido como la vista de Fried del diámetro. Un camino que es temporalmente coherente se conoce como un remiendo de isoplanatic.

Las aberturas grandes pueden sufrir de la abertura hacer un promedio, el resultado de varios caminos integrados en una imagen.

La turbulencia escala con la longitud de onda en aproximadamente un poder 6/5. Así, la vista es mejor en longitudes de onda infrarrojas que en longitudes de onda visibles.

Las exposiciones cortas sufren de la turbulencia menos que exposiciones más largas debido a la turbulencia de la escala "interior" y "externa"; corto se considera ser mucho menos de 10 milisegundos para la representación visible (típicamente, algo menos de 2 milisegundos). La turbulencia de la escala interior se levanta debido a los remolinos en el flujo turbulento, mientras la turbulencia de la escala externa proviene del flujo de la masa de aire grande. Estas masas típicamente se mueven despacio, y tan se reducen disminuyendo el período de integración.

Se dice que un sistema limitado sólo por la calidad de la óptica se limita con la difracción. Sin embargo, ya que la turbulencia atmosférica es normalmente el factor restrictivo para sistemas visibles que miran caminos atmosféricos largos, la mayor parte de sistemas se limitan con la turbulencia. Las correcciones se pueden hacer usando la óptica adaptable o posttratando técnicas.

:

donde

: es la frecuencia espacial

: es la longitud de onda

El:f es la longitud focal

:D es el diámetro de la abertura

El:b es una constante (1 para la propagación lejana y de campaña)

El:and es la vista de Fried del diámetro

Medición de resolución óptica

Una variedad de sistemas de medida está disponible, y el uso puede depender del sistema probado.

Las cartas de prueba típicas para Contrast Transfer Function (CTF) consisten en modelos de la barra repetidos (ver la Discusión abajo). La resolución restrictiva se mide determinando el grupo más pequeño de barras, tanto verticalmente como horizontalmente, para que el número correcto de barras se puede ver. Calculando el contraste entre las áreas negras y blancas en varias frecuencias diferentes, sin embargo, los puntos del CTF se pueden determinar con la ecuación de contraste.

donde

: es el valor normalizado del máximo (por ejemplo, el voltaje o el valor gris del área blanca)

: es el valor normalizado de mínimo (por ejemplo, el voltaje o el valor gris del área negra)

Cuando el sistema ya no puede resolver las barras, las áreas negras y blancas tienen el mismo valor, tan Contraste = 0. En frecuencias espaciales muy bajas, C = 1 y C = 0 tan Modulación = 1. Un poco de modulación se puede ver encima de la resolución restrictiva; éstos pueden ser aliased e invertido por la fase.

Al usar otros métodos, incluso el interferogram, sinusoid, y el borde en la ISO 12233 objetivo, es posible calcular la curva de MTF entera. La respuesta al borde es similar a una respuesta del paso, y Fourier Transforma de la primera diferencia de las producciones de respuesta del paso el MTF.

Interferogram

Un interferogram creado entre dos fuentes de la luz coherentes se puede usar con al menos dos objetivos relacionados con la resolución. El primer debe determinar la calidad de un sistema de la lente (ver LUPI), y el segundo debe proyectar un modelo en un sensor (película sobre todo fotográfica) para medir la resolución.

NBS 1010a/ISO #2 objetivo

Esta 5 carta de prueba de la resolución de la barra a menudo se usa para la evaluación de sistemas del microfilm y exploradores. Es conveniente para un 1:1 variedad (típicamente cubierta de 1-18 ciclos/mm) y se marca directamente en ciclos/mm. Los detalles se pueden encontrar en la ISO 3334.

Objetivo de 1951 de Fuerza Aérea de los EE.UU.

El objetivo de prueba de la resolución de 1951 de Fuerza Aérea de los EE.UU. consiste en un modelo de 3 objetivos de la barra. Cubierta a menudo encontrada de una variedad de 0.25 a 228 ciclos/mm. Cada grupo consiste en seis elementos. El grupo es nombrado por un número del grupo (-2,-1, 0, 1, 2, etc.) que es el poder al cual 2 se debería levantar para obtener la frecuencia espacial del primer elemento (p.ej, el grupo-2 es 0.25 pares de la línea por milímetro). Cada elemento es la 6ta raíz de 2 más pequeños que el elemento precedente en el grupo (p.ej el elemento 1 es 2^0, el elemento 2 es 2^ (-1/6), el elemento 3 es 2 (-1/3), etc.). Leyendo del grupo y el número del elemento del primer elemento que no se puede resolver, la resolución restrictiva puede ser determinada por la inspección. El sistema de enumeración complejo y el uso de una carta de consulta pueden ser evitados por el uso de una carta de la disposición más nueva, que pone etiqueta a los grupos directamente en ciclos/mm y está disponible en el link abajo de la Imagen Aplicada.

Objetivo de 1952 de NBS

El objetivo de 1952 NBS es un 3 modelo de la barra (barras largas). La frecuencia espacial se imprime junto a cada juego de la barra triple, por tanto la resolución restrictiva puede ser determinada por la inspección. Esta frecuencia sólo normalmente como se marca después de que la carta se ha reducido en la talla (típicamente 25 veces). La aplicación original pidió la colocación de la carta a una distancia 26 veces la longitud focal de la lente de representación usada. Las barras encima y a la izquierda están en la secuencia, separada por aproximadamente la raíz cuadrada de dos (12, 17, 24, etc.), mientras las barras abajo y a la izquierda tienen la misma separación, pero un punto de partida diferente (14, 20, 28, etc.)

Objetivo de la resolución del vídeo de 1956 de EIA

El objetivo de la resolución de 1956 EIA expresamente se diseñó para usarse con sistemas de televisión. Las líneas gradualmente crecientes cerca del centro se marcan con indicaciones periódicas de la frecuencia espacial correspondiente. La resolución restrictiva puede ser determinada por la inspección. La medida más importante es la resolución horizontal que limita, ya que la resolución vertical es típicamente determinada por el estándar de vídeo aplicable (I/B/G/K/NTSC/NTSC-J).

IEEE Std 208-1995 objetivo

El IEEE 208-1995 objetivo de la resolución es similar al objetivo de EIA. La resolución se mide en líneas de la TV horizontales y verticales.

ISO 12233 objetivo

La ISO 12233 objetivo se desarrolló para aplicaciones de la cámara digital, ya que la cámara digital moderna resolución espacial puede exceder las limitaciones de los objetivos más viejos. Incluye varios objetivos del filo del cuchillo para la informática de MTF por Fourier Transforman. Son compensados del vertical por 5 grados de modo que los bordes se prueben en muchas fases diferentes, que permiten la valoración de la respuesta en frecuencia espacial más allá de la frecuencia de Nyquist de la prueba.

Modelos de prueba arbitrarios

La idea es análoga al uso de un modelo del ruido blanco en la acústica para determinar la respuesta en frecuencia del sistema.

Monotonically que aumenta sinusoid modelos

El interferogram solía medir la resolución de la película se puede sintetizar en ordenadores personales y usarse para generar un modelo para medir la resolución óptica. Ver sobre todo Kodak MTF curvas.

Multiestallido

Una señal del multiestallido es una forma de onda electrónica usada para probar transmisión análoga, grabación y sistemas de demostración. El modelo de prueba consiste en varios períodos cortos de frecuencias específicas. El contraste de cada uno puede ser medido por la inspección y registrarse, dando un complot de atenuación contra la frecuencia. Los NTSC3.58 se multirevientan el modelo consiste en 500 kilohercios, 1 MHz, 2 MHz, 3 MHz, y bloques de 3.58 MHz. 3.58 MHz son importantes porque es la frecuencia chrominance para el vídeo NTSC.

Discusión

Se debería notar usando un objetivo de la barra que la medida que resulta es Contrast Transfer Function (CTF) y no el MTF. La diferencia proviene de los subarmónico de las ondas cuadradas y se puede fácilmente calcular.

Véase también

Enlaces externos

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