La résolution est la capacité d'un système d'imagerie à reproduire les détails d'un objet et dépend de facteurs tels que le type d'éclairage utilisé, la taille des pixels du capteur et les capacités de l'optique. Plus le détail du sujet est petit, plus la résolution requise de l'objectif est élevée.
Introduction au processus de résolution
La qualité d'image de la caméra dépend du capteur. En termes simples, un capteur d'image numérique est une puce à l'intérieur d'un boîtier d'appareil photo contenant des millions de points sensibles à la lumière. La taille du capteur d'un appareil photo détermine la quantité de lumière qui peut être utilisée pour créer une image. Plus le capteur est grand, meilleure est la qualité de l'image car plus d'informations sont collectées. Généralement, les appareils photo numériques font de la publicité sur le marché pour des tailles de capteur de 16 mm, Super 35 mm et parfois jusqu'à 65 mm.
À mesure que la taille du capteur augmente, la profondeur de champ diminue à une ouverture donnée, car une contrepartie plus grande vous oblige à vous rapprocher deobjet ou utilisez une distance focale plus longue pour remplir le cadre. Pour conserver la même profondeur de champ, le photographe doit utiliser des ouvertures plus petites.
Cette faible profondeur de champ peut être souhaitable, en particulier pour obtenir un flou d'arrière-plan pour les portraits, mais la photographie de paysage nécessite plus de profondeur, ce qui est plus facile à capturer avec la taille d'ouverture flexible des appareils photo compacts.
La division du nombre de pixels horizontaux ou verticaux sur un capteur indique l'espace occupé par chacun sur un objet et peut être utilisée pour évaluer le pouvoir de résolution de l'objectif et résoudre les problèmes des clients concernant la taille des pixels de l'image numérique de l'appareil. Comme point de départ, il est important de comprendre ce qui peut réellement limiter la résolution du système.
Cette affirmation peut être démontrée par l'exemple d'une paire de carrés sur un fond blanc. Si les carrés du capteur de la caméra sont mappés sur des pixels voisins, ils apparaîtront sous la forme d'un grand rectangle dans l'image (1a) plutôt que de deux carrés séparés (1b). Pour distinguer les carrés, un certain espace est nécessaire entre eux, au moins un pixel. Cette distance minimale est la résolution maximale du système. La limite absolue est déterminée par la taille des pixels sur le capteur, ainsi que leur nombre.
Mesure des caractéristiques de l'objectif
La relation entre les carrés noirs et blancs alternés est décrite comme une paire linéaire. Généralement, la résolution est déterminée par la fréquence,mesuré en paires de lignes par millimètre - lp/mm. Malheureusement, la résolution de l'objectif en cm n'est pas un nombre absolu. À une résolution donnée, la possibilité de voir les deux carrés comme des objets séparés dépendra du niveau d'échelle de gris. Plus la séparation en échelle de gris entre eux et l'espace est grande, plus la capacité à résoudre ces carrés est stable. Cette division de l'échelle de gris est connue sous le nom de contraste de fréquence.
La fréquence spatiale est donnée en lp/mm. Pour cette raison, le calcul de la résolution en termes de lp/mm est extrêmement utile pour comparer les objectifs et déterminer le meilleur choix pour des capteurs et des applications donnés. Le premier est celui où commence le calcul de la résolution du système. En commençant par le capteur, il est plus facile de déterminer quelles spécifications d'objectif sont nécessaires pour répondre aux exigences de l'appareil ou d'autres applications. La fréquence la plus élevée autorisée par le capteur, Nyquist, est effectivement de deux pixels ou d'une paire de lignes.
La résolution de l'objectif de définition, également appelée résolution de l'espace image système, peut être déterminée en multipliant la taille en Μm par 2 pour créer une paire et en divisant par 1000 pour convertir en mm:
lp/mm=1000/ (2 X pixel)
Les capteurs avec des pixels plus grands auront des limites de résolution inférieures. Les capteurs avec des pixels plus petits fonctionneront mieux selon la formule de résolution de l'objectif ci-dessus.
Zone de détection active
Vous pouvez calculer la résolution maximale de l'objet àvisualisation. Pour cela, il faut distinguer des indicateurs comme le rapport entre la taille du capteur, le champ de vision et le nombre de pixels sur le capteur. La taille de ce dernier fait référence aux paramètres de la zone active du capteur de la caméra, généralement déterminés par la taille de son format.
Cependant, les proportions exactes varient en fonction du format d'image, et les tailles nominales des capteurs ne doivent être utilisées qu'à titre indicatif, en particulier pour les objectifs télécentriques et les grossissements élevés. La taille du capteur peut être calculée directement à partir de la taille des pixels et du nombre actif de pixels pour effectuer le test de résolution de l'objectif.
Le tableau montre la limite de Nyquist associée aux tailles de pixels trouvées sur certains capteurs très couramment utilisés.
| Taille de pixel (µm) | Limite Nyquist couplée (lp / mm) |
| 1, 67 | 299, 4 |
| 2, 2 | 227, 3 |
| 3, 45 | 144, 9 |
| 4, 54 | 110, 1 |
| 5, 5 | 90, 9 |
À mesure que la taille des pixels diminue, la limite de Nyquist associée en lp/mm augmente proportionnellement. Pour déterminer la tache résoluble minimale absolue qui peut être vue sur un objet, le rapport du champ de vision à la taille du capteur doit être calculé. Ceci est également connu sous le nom d'augmentation primaire.(PMAG).
La relation associée au système PMAG permet de mettre à l'échelle la résolution de l'espace image. Généralement, lors de la conception d'une application, elle n'est pas spécifiée en lp/mm, mais plutôt en microns (µm) ou en fractions de pouce. Vous pouvez rapidement passer à la résolution ultime d'un objet en utilisant la formule ci-dessus pour faciliter le choix de la résolution de l'objectif z. Il est également important de garder à l'esprit qu'il existe de nombreux facteurs supplémentaires et que la limitation ci-dessus est beaucoup moins sujette aux erreurs que la complexité de la prise en compte de nombreux facteurs et de leur calcul à l'aide d'équations.
Calculer la distance focale
La résolution d'une image est le nombre de pixels qu'elle contient. Désigné en deux dimensions, par exemple, 640X480. Les calculs peuvent être effectués séparément pour chaque dimension, mais pour des raisons de simplicité, cela est souvent réduit à un. Pour effectuer des mesures précises sur une image, vous devez utiliser un minimum de deux pixels pour chaque plus petite zone que vous souhaitez détecter. La taille du capteur fait référence à un indicateur physique et, en règle générale, n'est pas indiquée dans les données du passeport. La meilleure façon de déterminer la taille d'un capteur est de regarder les paramètres de pixels dessus et de les multiplier par le rapport d'aspect, auquel cas le pouvoir de résolution de l'objectif résout les problèmes d'un mauvais cliché.
Par exemple, la caméra Basler acA1300-30um a une taille de pixel de 3,75 x 3,75um et une résolution de 1296 x 966 pixels. La taille du capteur est de 3,75 µm x 1296 par 3,75 µm x 966=4,86 x 3,62 mm.
Le format du capteur fait référence à la taille physique et ne dépend pas de la taille des pixels. Ce réglage est utilisé pourdéterminer avec quel objectif l'appareil photo est compatible. Pour qu'ils correspondent, le format de l'objectif doit être supérieur ou égal à la taille du capteur. Si un objectif avec un rapport d'aspect plus petit est utilisé, l'image subira un vignettage. Cela provoque l'assombrissement des zones du capteur en dehors du bord du format de l'objectif.
Pixels et sélection de caméra
Pour voir les objets dans l'image, il doit y avoir suffisamment d'espace entre eux pour qu'ils ne se confondent pas avec les pixels voisins, sinon ils seront impossibles à distinguer les uns des autres. Si les objets sont d'un pixel chacun, la séparation entre eux doit également être d'au moins un élément, c'est grâce à cela qu'une paire de lignes est formée, qui a en fait deux pixels de taille. C'est l'une des raisons pour lesquelles il est incorrect de mesurer la résolution des appareils photo et des objectifs en mégapixels.
Il est en fait plus facile de décrire les capacités de résolution d'un système en termes de fréquence de paires de lignes. Il s'ensuit qu'à mesure que la taille des pixels diminue, la résolution augmente car vous pouvez placer des objets plus petits sur des éléments numériques plus petits, avoir moins d'espace entre eux et toujours résoudre la distance entre les sujets que vous photographiez.
Il s'agit d'un modèle simplifié de la façon dont le capteur de l'appareil photo détecte les objets sans tenir compte du bruit ou d'autres paramètres, et c'est la situation idéale.
Tableaux de contraste MTF
La plupart des objectifs ne sont pas des systèmes optiques parfaits. La lumière traversant une lentille subit un certain degré de dégradation. La question est de savoir comment évaluer celadégradation? Avant de répondre à cette question, il est nécessaire de définir la notion de "modulation". Ce dernier est une mesure du contraste len à une fréquence donnée. On pourrait essayer d'analyser des images du monde réel prises à travers un objectif pour déterminer la modulation ou le contraste des détails de différentes tailles ou fréquences (espacement), mais c'est très peu pratique.
Au lieu de cela, il est beaucoup plus facile de mesurer la modulation ou le contraste pour des paires de lignes blanches et sombres alternées. Ils sont appelés réseaux rectangulaires. L'intervalle des lignes dans un réseau d'onde rectangulaire est la fréquence (v), pour laquelle la fonction de modulation ou de contraste de l'objectif et la résolution sont mesurées en cm.
La quantité maximale de lumière proviendra des bandes claires et la quantité minimale des bandes sombres. Si la lumière est mesurée en termes de luminosité (L), la modulation peut être déterminée selon l'équation suivante:
modulation=(Lmax - Lmin) / (Lmax + Lmin), où: Lmax est la luminosité maximale des lignes blanches dans le réseau et Lmin est la luminosité minimale des lignes sombres.
Lorsque la modulation est définie en termes de lumière, elle est souvent appelée contraste de Michelson car elle prend le rapport de luminance des bandes claires et sombres pour mesurer le contraste.
Par exemple, il existe un réseau d'ondes carrées d'une certaine fréquence (v) et modulation, et un contraste inhérent entre les zones sombres et claires réfléchies par ce réseau à travers l'objectif. La modulation de l'image et donc le contraste de l'objectif sont mesurés pour une fréquence donnéebarres (v).
La fonction de transfert de modulation (MTF) est définie comme la modulation M i de l'image divisée par la modulation du stimulus (objet) M o, comme indiqué dans l'équation suivante.
|
MTF (v)=M i / M 0 |
Les grilles de test USF sont imprimées sur du papier laser brillant à 98 %. Le toner noir pour imprimante laser a une réflectance d'environ 10 %. Ainsi, la valeur de M 0 est de 88 %. Mais comme le film a une plage dynamique plus limitée par rapport à l'œil humain, il est prudent de supposer que M 0 est essentiellement 100 % ou 1. La formule ci-dessus se résume donc à ce qui suit plus équation simple:
|
MTF (v)=Mi |
Donc, la longueur MTF pour une fréquence de réseau donnée (v) est simplement la modulation de réseau mesurée (Mi) lorsqu'elle est photographiée à travers un objectif sur un film.
Résolution du microscope
La résolution d'un objectif de microscope est la distance la plus courte entre deux points distincts dans son champ de vision d'oculaire qui peuvent encore être distingués comme des objets différents.
Si deux points sont plus rapprochés que votre résolution, ils apparaîtront flous et leurs positions seront imprécises. Le microscope peut offrir un grossissement élevé, mais si les lentilles sont de mauvaise qualité, la mauvaise résolution qui en résulte dégradera la qualité de l'image.
Ci-dessous se trouve l'équation d'Abbe, où la résolutionle pouvoir d'un objectif de microscope z est le pouvoir séparateur égal à la longueur d'onde de la lumière utilisée divisée par 2 (l'ouverture numérique de l'objectif).
Plusieurs éléments affectent la résolution d'un microscope. Un microscope optique réglé à fort grossissement peut produire une image floue, mais elle est toujours à la résolution maximale de l'objectif.
L'ouverture numérique d'un objectif affecte la résolution. Le pouvoir de résolution d'un objectif de microscope est un nombre qui indique la capacité d'une lentille à collecter la lumière et à résoudre un point à une distance fixe de l'objectif. Le plus petit point qui peut être résolu par la lentille est proportionnel à la longueur d'onde de la lumière collectée divisée par le nombre d'ouverture numérique. Par conséquent, un nombre plus élevé correspond à une plus grande capacité de l'objectif à détecter un excellent point dans le champ de vision. L'ouverture numérique de l'objectif dépend également de la quantité de correction des aberrations optiques.
Résolution de la lentille du télescope
Comme un entonnoir de lumière, un télescope est capable de collecter la lumière proportionnellement à la surface du trou, cette propriété est la lentille principale.
Le diamètre de la pupille adaptée à l'obscurité de l'œil humain est d'un peu moins de 1 centimètre, et le diamètre du plus grand télescope optique est de 1 000 cm (10 mètres), de sorte que le plus grand télescope est un million de fois plus grand en collection zone que l'œil humain.
C'est pourquoi les télescopes voient des objets plus faibles que les humains. Et avoir des appareils qui accumulent de la lumière à l'aide de capteurs de détection électroniques pendant de nombreuses heures.
Il existe deux principaux types de télescope: les réfracteurs à lentille et les réflecteurs à miroir. Les grands télescopes sont des réflecteurs car les miroirs n'ont pas besoin d'être transparents. Les miroirs de télescope sont parmi les conceptions les plus précises. L'erreur autorisée sur la surface est d'environ 1/1000 de la largeur d'un cheveu humain - à travers un trou de 10 mètres.
Auparavant, les miroirs étaient fabriqués à partir d'énormes plaques de verre épaisses pour les empêcher de s'affaisser. Les miroirs d'aujourd'hui sont minces et flexibles, mais sont contrôlés par ordinateur ou autrement segmentés et alignés par contrôle informatique. En plus de la tâche de trouver des objets faibles, le but de l'astronome est également de voir leurs détails fins. Le degré auquel les détails peuvent être reconnus est appelé résolution:
- Images floues=mauvaise résolution.
- Images claires=bonne résolution.
En raison de la nature ondulatoire de la lumière et des phénomènes appelés diffraction, le diamètre du miroir ou de la lentille d'un télescope limite sa résolution ultime par rapport au diamètre du télescope. La résolution signifie ici le plus petit détail angulaire qui peut être reconnu. Les petites valeurs correspondent à d'excellents détails d'image.
Les radiotélescopes doivent être très grands pour fournir une bonne résolution. L'atmosphère terrestre estimages turbulentes et floues du télescope. Les astronomes terrestres peuvent rarement atteindre la résolution maximale de l'appareil. L'effet turbulent de l'atmosphère sur une étoile s'appelle la vision. Cette turbulence fait « scintiller » les étoiles. Pour éviter ces flous atmosphériques, les astronomes lancent des télescopes dans l'espace ou les placent sur de hautes montagnes avec des conditions atmosphériques stables.
Exemples de calcul de paramètres
Données pour déterminer la résolution de l'objectif Canon:
- Taille de pixel=3,45 µm x 3,45 µm.
- Pixels (H x V)=2448 x 2050.
- Champ de vision souhaité (horizontal)=100 mm.
- Limite de résolution du capteur: 1000/2x3, 45=145 lp / mm.
- Dimensions du capteur:3,45x2448/1000=8,45 mm3, 45x2050/1000=7,07 mm.
- PMAG:8, 45/100=0.0845 mm.
- Résolution de l'objectif de mesure: 145 x 0,0845=12,25 lp/mm.
En fait, ces calculs sont assez complexes, mais ils vous aideront à créer une image basée sur la taille du capteur, le format de pixel, la distance de travail et le champ de vision en mm. Le calcul de ces valeurs déterminera le meilleur objectif pour vos images et votre application.
Problèmes de l'optique moderne
Malheureusement, doubler la taille du capteur crée des problèmes supplémentaires pour les objectifs. L'un des principaux paramètres affectant le coût d'un objectif d'image est le format. Concevoir un objectif pour un capteur de plus grand format nécessitede nombreux composants optiques individuels, qui devraient être plus grands et le transfert du système plus rigide.
Un objectif conçu pour un capteur 1" peut coûter cinq fois plus cher qu'un objectif conçu pour un capteur ½", même s'il ne peut pas utiliser les mêmes spécifications avec une résolution de pixels limitée. Le coût doit être pris en compte avant de savoir comment pour déterminer le pouvoir de résolution d'une lentille.
L'imagerie optique est aujourd'hui confrontée à plus de défis qu'il y a dix ans. Les capteurs avec lesquels ils sont utilisés ont des exigences de résolution beaucoup plus élevées, et les tailles de format sont à la fois plus petites et plus grandes, tandis que la taille des pixels continue de diminuer.
Dans le passé, l'optique ne limitait jamais le système d'imagerie, aujourd'hui c'est le cas. Là où une taille de pixel typique est d'environ 9 µm, une taille beaucoup plus courante est d'environ 3 µm. Cette augmentation de 81 fois la densité de points a eu des répercussions sur l'optique, et bien que la plupart des appareils soient bons, la sélection de l'objectif est maintenant plus importante que jamais.
