الدقة هي قدرة نظام التصوير على إعادة إنتاج تفاصيل كائن ما ، وتعتمد على عوامل مثل نوع الإضاءة المستخدمة وحجم البكسل في المستشعر وإمكانيات البصريات. كلما كانت تفاصيل الموضوع أصغر ، زادت الدقة المطلوبة للعدسة.
مقدمة لعملية الحل
جودة صورة الكاميرا تعتمد على المستشعر. ببساطة ، مستشعر الصورة الرقمية عبارة عن شريحة داخل جسم الكاميرا تحتوي على ملايين البقع الحساسة للضوء. يحدد حجم مستشعر الكاميرا مقدار الضوء الذي يمكن استخدامه لإنشاء صورة. كلما كان المستشعر أكبر ، كانت جودة الصورة أفضل كلما تم جمع المزيد من المعلومات. عادةً ما تُعلن الكاميرات الرقمية في الأسواق عن مستشعرات بأحجام 16 مم ، سوبر 35 مم ، وأحيانًا تصل إلى 65 مم.
كلما زاد حجم المستشعر ، سينخفض عمق المجال عند فتحة معينة ، لأن النظير الأكبر يتطلب منك الاقتراب منأو استخدم طولًا بؤريًا أطول لملء الإطار. للحفاظ على نفس عمق المجال ، يجب على المصور استخدام فتحات أصغر.
قد يكون هذا العمق الضحل للمجال مرغوبًا فيه ، خاصة لتحقيق ضبابية الخلفية للصور ، لكن تصوير المناظر الطبيعية يتطلب مزيدًا من العمق ، وهو ما يسهل التقاطه باستخدام حجم الفتحة المرنة للكاميرات المدمجة.
قسمة عدد البكسل الأفقي أو الرأسي على جهاز استشعار سيشير إلى مقدار المساحة التي يشغلها كل عنصر على كائن ، ويمكن استخدامه لتقييم قوة حل العدسة وحل مخاوف العملاء بشأن حجم بكسل الصورة الرقمية للجهاز. كنقطة بداية ، من المهم فهم ما يمكن أن يحد فعليًا من دقة النظام.
يمكن توضيح هذا البيان من خلال مثال زوج من المربعات على خلفية بيضاء. إذا تم تعيين المربعات الموجودة على مستشعر الكاميرا على وحدات البكسل المجاورة ، فستظهر كمستطيل واحد كبير في الصورة (1 أ) بدلاً من مربعين منفصلين (1 ب). لتمييز المربعات ، يلزم وجود مسافة معينة بينهما ، على الأقل بكسل واحد. هذه المسافة الدنيا هي الدقة القصوى للنظام. يتم تحديد الحد المطلق بحجم البكسل على المستشعر وكذلك عددها.
قياس خصائص العدسة
توصف العلاقة بين المربعات السوداء والبيضاء بالتناوب على أنها زوج خطي. عادة ، يتم تحديد الدقة حسب التردد ،تقاس في أزواج خط لكل مليمتر - ليرة لبنانية / مم. لسوء الحظ ، دقة العدسة بالسنتيمتر ليست رقمًا مطلقًا. عند دقة معينة ، ستعتمد القدرة على رؤية المربعين ككائنات منفصلة على مستوى المقياس الرمادي. كلما زاد الفاصل بين المقياس الرمادي والمسافة ، زادت ثبات القدرة على حل هذه المربعات. يُعرف هذا التقسيم للمقياس الرمادي بتباين التردد.
يُعطى التردد المكاني بوحدة lp / mm. لهذا السبب ، يعد حساب الدقة من حيث lp / mm مفيدًا للغاية عند مقارنة العدسات وتحديد أفضل خيار لأجهزة الاستشعار والتطبيقات المحددة. الأول هو حيث يبدأ حساب دقة النظام. بدءًا من المستشعر ، من الأسهل تحديد مواصفات العدسة المطلوبة لتلبية متطلبات الجهاز أو التطبيقات الأخرى. أعلى تردد يسمح به المستشعر ، Nyquist ، هو فعليًا 2 بكسل أو زوج خط واحد.
تعريف دقة العدسة ، وتسمى أيضًا دقة مساحة صورة النظام ، يمكن تحديدها بضرب الحجم بالميكرومتر في 2 لإنشاء زوج والقسمة على 1000 للتحويل إلى مم:
lp / مم=1000 / (2 × بكسل)
سيكون للمستشعرات ذات البكسلات الأكبر حدود دقة أقل. ستعمل المستشعرات ذات وحدات البكسل الأصغر أداءً أفضل وفقًا لصيغة دقة العدسة أعلاه.
منطقة المستشعر النشط
يمكنك حساب الدقة القصوى للكائنالمعاينة. للقيام بذلك ، من الضروري التمييز بين المؤشرات مثل النسبة بين حجم المستشعر ومجال الرؤية وعدد البكسل على المستشعر. يشير حجم الأخير إلى معلمات المنطقة النشطة لمستشعر الكاميرا ، والتي يتم تحديدها عادةً بحجم تنسيقها.
ومع ذلك ، ستختلف النسب الدقيقة حسب نسبة العرض إلى الارتفاع ، ويجب استخدام أحجام المستشعر الاسمية فقط كمبدأ توجيهي ، خاصةً بالنسبة للعدسات عن بُعد والتكبير العالي. يمكن حساب حجم المستشعر مباشرة من حجم البكسل وعدد البكسل النشط لإجراء اختبار دقة العدسة.
يوضح الجدول حد Nyquist المرتبط بأحجام البكسل الموجودة في بعض أجهزة الاستشعار شائعة الاستخدام.
| حجم البكسل (ميكرومتر) | حد نيكويست المقترن (lp / مم) |
| 1، 67 | 299، 4 |
| 2، 2 | 227، 3 |
| 3 ، 45 | 144، 9 |
| 4، 54 | 110، 1 |
| 5، 5 | 90، 9 |
مع انخفاض أحجام البكسل ، يزيد حد Nyquist المرتبط بـ lp / mm بشكل متناسب. لتحديد الحد الأدنى المطلق من البقعة القابلة للحل التي يمكن رؤيتها على كائن ما ، يجب حساب نسبة مجال الرؤية إلى حجم المستشعر. يُعرف هذا أيضًا باسم الزيادة الأولية.أنظمة (PMAG).
تسمح العلاقة المرتبطة بنظام PMAG بقياس دقة مساحة الصورة. عادةً ، عند تصميم تطبيق ، لا يتم تحديده بـ lp / mm ، بل بالميكرونات (m) أو كسور البوصة. يمكنك الانتقال بسرعة إلى الدقة النهائية لكائن ما باستخدام الصيغة أعلاه لتسهيل اختيار دقة العدسة z. من المهم أيضًا أن تضع في اعتبارك أن هناك العديد من العوامل الإضافية ، وأن التحديد أعلاه أقل عرضة للخطأ بكثير من تعقيد مراعاة العديد من العوامل وحسابها باستخدام المعادلات.
حساب الطول البؤري
دقة الصورة هي عدد البكسل فيها. مخصص في بعدين ، على سبيل المثال ، 640 × 480. يمكن إجراء الحسابات بشكل منفصل لكل بُعد ، ولكن من أجل التبسيط ، غالبًا ما يتم تقليل ذلك إلى بُعد واحد. لإجراء قياسات دقيقة على صورة ما ، تحتاج إلى استخدام وحدتي بكسل على الأقل لكل منطقة أصغر تريد اكتشافها. يشير حجم المستشعر إلى مؤشر مادي ، وكقاعدة عامة ، لا تتم الإشارة إليه في بيانات جواز السفر. أفضل طريقة لتحديد حجم المستشعر هي النظر إلى معلمات البكسل الموجودة عليه وضربها في نسبة العرض إلى الارتفاع ، وفي هذه الحالة تحل قوة حل العدسة مشاكل اللقطة السيئة.
على سبيل المثال ، تتميز كاميرا Basler acA1300-30um بحجم بكسل 3.75 × 3.75um ودقة 1296 × 966 بكسل. حجم المستشعر 3.75 ميكرومتر × 1296 × 3.75 ميكرومتر × 966=4.86 × 3.62 مم.
يشير تنسيق المستشعر إلى الحجم المادي ولا يعتمد على حجم البكسل. يستخدم هذا الإعداد لتحديد العدسة التي تتوافق معها الكاميرا. لكي تتطابق ، يجب أن يكون تنسيق العدسة أكبر من أو يساوي حجم المستشعر. إذا تم استخدام عدسة ذات نسبة عرض إلى ارتفاع أصغر ، فستتعرض الصورة للتظليل. يؤدي هذا إلى جعل مناطق المستشعر خارج حافة تنسيق العدسة مظلمة.
بكسل واختيار الكاميرا
لرؤية الكائنات في الصورة ، يجب أن يكون هناك مسافة كافية بينهما حتى لا يتم دمجها مع وحدات البكسل المجاورة ، وإلا فلن يمكن تمييزها عن بعضها البعض. إذا كان كل عنصر بكسل واحدًا ، فيجب أيضًا أن يكون الفصل بينهما عنصرًا واحدًا على الأقل ، فبفضل هذا يتم تشكيل زوج من الخطوط ، والذي يبلغ حجمه في الواقع اثنين من وحدات البكسل. هذا أحد أسباب عدم صحة قياس دقة الكاميرات والعدسات بالميغابكسل.
من الأسهل في الواقع وصف قدرات دقة النظام من حيث تردد زوج الخط. ويترتب على ذلك أنه مع انخفاض حجم البكسل ، تزداد الدقة لأنه يمكنك وضع كائنات أصغر على عناصر رقمية أصغر ، مع وجود مساحة أقل بينها ، مع الاستمرار في تحديد المسافة بين الأهداف التي تقوم بتصويرها.
هذا نموذج مبسط لكيفية اكتشاف مستشعر الكاميرا للأشياء دون مراعاة الضوضاء أو غيرها من المعلمات ، وهو الوضع المثالي.
مخططات تباين MTF
معظم العدسات ليست أنظمة بصرية مثالية. يمر الضوء عبر العدسة بدرجة معينة من التدهور. السؤال هو كيف نقيِّم هذاانحلال؟ قبل الإجابة على هذا السؤال ، من الضروري تحديد مفهوم "التعديل". هذا الأخير هو مقياس لين التباين عند تردد معين. يمكن للمرء أن يحاول تحليل صور العالم الحقيقي المأخوذة من خلال العدسة لتحديد التعديل أو التباين للحصول على تفاصيل مختلفة الأحجام أو الترددات (التباعد) ، لكن هذا غير عملي للغاية.
بدلاً من ذلك ، من الأسهل بكثير قياس التعديل أو التباين لأزواج من الخطوط البيضاء والداكنة المتناوبة. يطلق عليهم شعرية مستطيلة. الفاصل الزمني للخطوط في محزوز الموجة المستطيلة هو التردد (v) ، والذي يتم قياس وظيفة التعديل أو التباين للعدسة والدقة بالسنتيمتر.
سيأتي الحد الأقصى من الضوء من العصابات الخفيفة ، والحد الأدنى من العصابات المظلمة. إذا تم قياس الضوء من حيث السطوع (L) ، فيمكن تحديد التعديل وفقًا للمعادلة التالية:
التعديل=(Lmax - Lmin) / (Lmax + Lmin) ،
حيث: Lmax هو أقصى سطوع للخطوط البيضاء في الشبكة ، و Lmin هو الحد الأدنى من سطوع الخطوط المظلمة.
عندما يتم تعريف التعديل من حيث الضوء ، غالبًا ما يشار إليه باسم تباين Michelson لأنه يأخذ نسبة النصوع من العصابات الفاتحة والداكنة لقياس التباين.
على سبيل المثال ، هناك محزوز موجة مربعة لتردد معين (v) وتعديل ، وتباين متأصل بين المناطق المظلمة والمضيئة المنعكسة من هذا الحاجز عبر العدسة. يتم قياس تعديل الصورة وبالتالي تباين العدسة لتردد معينأشرطة (ت).
يتم تعريف وظيفة نقل التعديل (MTF) على أنها التعديل Miللصورة مقسومًا على تعديل التحفيز (الكائن) Moكما هو موضح في المعادلة التالية
|
MTF (v)=Mi/ M0 |
شبكات اختبار USF مطبوعة على ورق ليزر ساطع بنسبة 98٪. يبلغ انعكاس حبر طابعة الليزر الأسود حوالي 10٪. لذا فإن قيمة M0هي 88٪. ولكن نظرًا لأن الفيلم له نطاق ديناميكي أكثر محدودية مقارنة بالعين البشرية ، فمن الآمن افتراض أن M0هو في الأساس 100٪ أو 1. لذا فإن الصيغة المذكورة أعلاه تتلخص في المزيد معادلة بسيطة:
|
MTF (v)=Mi |
لذا فإن MTF len لتردد محزوز معين (v) هو ببساطة تعديل المحزوز المقاس (Mi) عند تصويره من خلال عدسة على الفيلم.
دقة المجهر
دقة هدف المجهر هي أقصر مسافة بين نقطتين متميزتين في مجال الرؤية الخاص به والتي لا يزال من الممكن تمييزها ككائنات مختلفة.
إذا كانت النقطتان أقرب إلى بعضهما من الدقة ، فستظهران مشوشتين وستكون مواضعهما غير دقيقة. قد يوفر المجهر تكبيرًا عاليًا ، ولكن إذا كانت العدسات ذات جودة رديئة ، فإن الدقة السيئة الناتجة ستؤدي إلى تدهور جودة الصورة.
أدناه هي معادلة آبي ، حيث القرارقوة العدسة z للمجهر هي قدرة التحليل التي تساوي الطول الموجي للضوء المستخدم مقسومًا على 2 (الفتحة العددية للهدف).
عدة عناصر تؤثر على دقة المجهر. قد ينتج عن مجهر بصري تم ضبطه على نسبة تكبير عالية صورة ضبابية ، لكنها لا تزال بأقصى دقة للعدسة.
تؤثر الفتحة الرقمية للعدسة على الدقة. قوة حل هدف المجهر هي رقم يشير إلى قدرة العدسة على جمع الضوء وحل نقطة على مسافة ثابتة من الهدف. أصغر نقطة يمكن أن تحلها العدسة تتناسب مع الطول الموجي للضوء المجمع مقسومًا على رقم الفتحة العددية. لذلك ، يتوافق العدد الأكبر مع قدرة أكبر للعدسة على اكتشاف نقطة ممتازة في مجال الرؤية. وتعتمد الفتحة العددية للعدسة أيضًا على مقدار تصحيح الانحراف البصري.
دقة عدسة التلسكوب
مثل قمع الضوء ، يستطيع التلسكوب جمع الضوء بما يتناسب مع مساحة الثقب ، وهذه الخاصية هي العدسة الرئيسية.
قطر بؤبؤ العين البشرية المظلمة أقل بقليل من 1 سم ، وقطر أكبر تلسكوب بصري 1000 سم (10 أمتار) ، بحيث يكون أكبر تلسكوب أكبر بمليون مرة في المجموعة منطقة من العين البشرية.
هذا هو السبب في أن التلسكوبات ترى أجسامًا أكثر خفوتًا من البشر. ولديها اجهزة تتراكم الضوء باستخدام حساسات كشف الكترونية لساعات طويلة
هناك نوعان رئيسيان من التلسكوبات: المنكسرات القائمة على العدسات والعاكسات المرآة. التلسكوبات الكبيرة عاكسة لأن المرايا لا يجب أن تكون شفافة. مرايا التلسكوب من بين أكثر التصاميم دقة. الخطأ المسموح به على السطح هو حوالي 1/1000 من عرض شعرة الإنسان - من خلال ثقب 10 أمتار.
كانت المرايا مصنوعة من ألواح زجاجية سميكة ضخمة لمنعها من الترهل. مرايا اليوم رقيقة ومرنة ، ولكن يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر أو بطريقة أخرى مجزأة ومحاذاة عن طريق التحكم في الكمبيوتر. بالإضافة إلى مهمة العثور على الأجسام الباهتة ، فإن هدف الفلكي هو أيضًا رؤية تفاصيلها الدقيقة. تسمى الدرجة التي يمكن من خلالها التعرف على التفاصيل الدقة:
- صور ضبابية=دقة ضعيفة.
- صور واضحة=دقة جيدة
نظرًا للطبيعة الموجية للضوء والظواهر التي تسمى الانعراج ، فإن قطر مرآة أو عدسة التلسكوب يحد من دقتها النهائية بالنسبة إلى قطر التلسكوب. الدقة هنا تعني أصغر التفاصيل الزاوية التي يمكن التعرف عليها. تتوافق القيم الصغيرة مع تفاصيل الصورة الممتازة.
يجب أن تكون التلسكوبات الراديوية كبيرة جدًا لتوفير دقة جيدة. الغلاف الجوي للأرضصور تلسكوب مضطربة وطمس. نادرًا ما يتمكن علماء الفلك الأرضي من الوصول إلى أقصى دقة للجهاز ، ويسمى التأثير المضطرب للغلاف الجوي على النجم بالرؤية. يتسبب هذا الاضطراب في "وميض" النجوم. لتجنب هذه الضبابية في الغلاف الجوي ، يطلق علماء الفلك التلسكوبات في الفضاء أو يضعونها على الجبال العالية ذات الظروف الجوية المستقرة.
أمثلة على حساب المعلمة
بيانات لتحديد دقة عدسة Canon:
- حجم البكسل=3.45 ميكرومتر × 3.45 ميكرومتر.
- بكسل (أفقي × رأسي)=2448 × 2050.
- مجال الرؤية المطلوب (أفقيًا)=100 مم.
- حد دقة المستشعر: 1000 / 2x3، 45=145 lp / mm.
- أبعاد المستشعر: 3.45x2448/1000=8.45 مم 3، 45x2050 / 1000=7.07 مم
- PMAG: 8، 45/100=0.0845 ملم.
- قياس دقة العدسة: 145 x 0.0845=12.25 lp / mm.
في الواقع ، هذه الحسابات معقدة للغاية ، لكنها ستساعدك في إنشاء صورة بناءً على حجم المستشعر وتنسيق البكسل ومسافة العمل ومجال الرؤية بالملليمتر. سيحدد حساب هذه القيم أفضل عدسة لصورك وتطبيقك.
مشاكل البصريات الحديثة
لسوء الحظ ، فإن مضاعفة حجم المستشعر يخلق مشاكل إضافية للعدسات. يعد التنسيق أحد العوامل الرئيسية التي تؤثر على تكلفة عدسة الصورة. يتطلب تصميم عدسة لمستشعر تنسيق أكبرالعديد من المكونات البصرية الفردية ، والتي يجب أن تكون أكبر وأن يكون نقل النظام أكثر صرامة.
يمكن أن تكلف العدسة المصممة لجهاز استشعار 1 "خمسة أضعاف تكلفة العدسة المصممة لمستشعر ½" ، حتى لو لم تستطع استخدام نفس المواصفات بدقة بكسل محدودة. يجب مراعاة مكون التكلفة قبل الكيفية لتحديد القوة التحليلية للعدسة
يواجه التصوير البصري اليوم تحديات أكثر من عقد مضى. تحتوي المستشعرات المستخدمة معها على متطلبات دقة أعلى بكثير ، ويتم توجيه أحجام التنسيق في نفس الوقت إلى حجم أصغر وأكبر ، بينما يستمر حجم البكسل في الانكماش.
في الماضي ، لم تقيد البصريات أبدًا نظام التصوير ، لكنها اليوم تفعل ذلك. عندما يكون حجم البكسل النموذجي حوالي 9 ميكرومتر ، يكون الحجم الأكثر شيوعًا حوالي 3 ميكرومتر. أثرت هذه الزيادة البالغة 81 ضعفًا في كثافة النقاط على البصريات ، وعلى الرغم من أن معظم الأجهزة جيدة ، فإن اختيار العدسة أصبح الآن أكثر أهمية من أي وقت مضى.
