Felbontás (optika)

Felbontás - az optikai eszköz azon képessége, hogy egymáshoz közeli tárgyak képét reprodukálja.

Szögfelbontás

A szögfelbontás az a minimális szög az objektumok között, amelyet az optikai rendszer meg tud különböztetni .

Az optikai rendszer azon képessége, hogy meg tudja különböztetni a pontokat a leképezett felületen, például:

Szögfelbontás: 1′ (egy ívperc, kb. 0,02°) 1 km távolságból látható 29 cm-es területnek vagy 1 m távolságból egy nyomtatott szövegpontnak felel meg.

Lineáris felbontás

A lineáris felbontás a mikroszkópban megkülönböztethető objektumok közötti minimális távolság .

Rayleigh-kritérium

A képalkotó rendszer felbontását a kép elmosódását okozó aberráció vagy diffrakció korlátozza . Ez a két jelenség eltérő eredetű, és nincs összefüggésben egymással. Az aberráció geometriai optika alapján magyarázható, és elvileg a rendszer optikai minőségének növelésével küszöbölhető ki. Másrészt a diffrakció a fény hullámtermészete miatt következik be, és az optikai elemek véges apertúrája határozza meg. Az objektív körkörös rekesznyílása hasonló az egyrés kísérlet 2D-s változatához . A lencsén áthaladó fény interferál önmagával, és gyűrű alakú diffrakciós mintázatot hoz létre, amelyet Airy mintának neveznek , ha az áteresztett fény hullámfrontja gömb alakúnak vagy laposnak tekinthető a rekesz kimenetén.

A diffrakció és az aberráció közötti kölcsönhatást a pontszórási függvény (PSF) jellemzi. Minél szűkebb az objektív rekesznyílása, annál valószínűbb, hogy a PSF-et a diffrakció uralja. Ebben az esetben az optikai rendszer szögfelbontását ( a fénynyílás átmérője és a fény hullámhossza tekintetében) a Lord Rayleigh által meghatározott Rayleigh-kritérium becsüli meg : két pontforrást akkor tekintünk feloldhatónak, ha a fő diffrakciós maximum Az egyik kép Airy lemeze egybeesik a másik kép Airy lemezének első minimumával [1 ] [2] (a mellékelt képeken látható). Ha a távolság nagyobb, akkor a két pont jól feloldott, ha pedig kisebb, akkor feloldatlannak tekintjük. Rayleigh ezt a kritériumot azonos intenzitású forrásokra állapította meg.

Figyelembe véve a kör alakú nyíláson keresztüli diffrakciót, a korlátozó szögfelbontás kifejezése a következőképpen írható:

\theta =1,22{\frac {\lambda }{D))

ahol θ a szögfelbontás ( radiánban ), λ a fény hullámhossza , D pedig a lencse nyílásátmérője . Az 1,22-es tényező a középső Airy-korongot körülvevő első sötét körgyűrű helyzetéből származik a diffrakciós mintában. Pontosabban ez a szám 1,21966989. . . ( A245461 ), az első típusú Bessel-függvény első nullája osztva π -vel . $J_{1}(x)$

Rayleigh formális kritériuma közel van ahhoz az empirikus felbontási határhoz, amelyet korábban Daves angol csillagász talált meg , aki emberi megfigyelőket tesztelt közeli, azonos fényességű kettőscsillagokon. A "θ" = 4,56/"D" eredmény, ahol a "D" hüvelykben, a "θ" pedig ívmásodpercben értendő, valamivel szűkebb, mint a Rayleigh-kritérium alapján számítottuk. Az Airy lemezeket mint pontterítési függvényt használó számítás azt mutatja, hogy a Dives limitben 5%-os csökkenés van a két maximum között, míg a Rayleigh-kritérium 26,3%-os csökkenést mutat [3] Modern képfeldolgozási technikák , beleértve a képfeldolgozó dekonvolúcióját is. pontterítés funkció lehetővé teszi a kettős források feloldását még kisebb szögtávolság mellett.

A szögfelbontás ∆ℓ térbeli felbontásra konvertálható, ha a szöget (radiánban) megszorozzuk a tárgy távolságával. Mikroszkópnál ez a távolság közel van a lencse f gyújtótávolságához . Ebben az esetben a Rayleigh-kritérium a formát ölti

\Delta \ell =1,22{\frac {f\lambda }{D))

Más szóval, ez annak a legkisebb foltnak a képsíkjában lévő sugara , amelyre egy kollimált fénysugár fókuszálható , és amely egyben a lencse által felbontható legkisebb tárgy méretének is megfelel. [4] Ez a méret arányos a λ hullámhosszal , így például a kék fényt kisebb foltra lehet fókuszálni, mint a vörös fényt. Ha a lencse véges keresztirányú kiterjedésű fénysugarat (például lézersugarat ) fókuszál, a D értéke a fénysugár átmérőjének felel meg , nem a lencsének. [5] Mivel a térbeli felbontás fordítottan arányos D -vel , ez némileg váratlan eredményhez vezet: széles fénysugár fókuszálható egy keskenynél kisebb foltba. Ez az eredmény a lencse Fourier-tulajdonságaihoz kapcsolódik.

A felbontás függése fényképezéskor az optikai rendszer tulajdonságaitól

Ha a fényképezés célja nyomat vagy kép készítése a monitoron , a teljes felbontást a tárgy reprodukálásának minden szakaszának felbontása határozza meg.

A felbontás meghatározásának módszerei a fényképezésben

A felbontást egy speciális tesztobjektum ( világok ) fotózása határozza meg. A képkészítés technikai folyamatában részt vevő egyes elemek felbontásának meghatározásához méréseket végeznek olyan körülmények között, ahol a többi szakaszból származó hibák elhanyagolhatóak.

Lencse felbontási teljesítmény

Az elsődleges anyaghordozó felbontása

Fényképészeti emulzió

A fotó- vagy mozgóképfilm felbontása elsősorban a fényérzékenységétől függ, és a modern filmeknél 50-100 sor/mm között mozoghat. A speciális filmek ( Mikrat -200, Mikrat-400) felbontást egy szám jelzi a címben.

Digitális fényképezőgépek mátrixai

A mátrixok felbontása a típusuktól, területüktől és a fényérzékeny elemek területegységenkénti sűrűségétől függ .

Ez nemlineárisan függ a mátrix fényérzékenységétől és a program által megadott zajszinttől .

Fontos, hogy a világ vonalainak modern külföldi értelmezése egy fekete-fehér csíkpárt 2 vonalnak tekint , ellentétben a hazai elmélettel és gyakorlattal, ahol minden vonalat mindig kontrasztos hátterű intervallumokkal elválasztottnak tekintenek. a vonal vastagságával megegyező vastagság.

Egyes cégek - a digitális fényképezőgépeket gyártó cégek reklámozási célból megpróbálják a mátrixot 45°-os szögben elforgatni, ezzel bizonyos formális felbontásnövekedést érve el a legegyszerűbb vízszintes-függőleges világok fényképezésekor. De ha egy professzionális világot használunk , vagy legalább egy egyszerű világot elforgatunk ugyanabban a szögben, nyilvánvalóvá válik, hogy a felbontás növekedése fiktív.

A végső kép beszerzése

A modern nyomtatók felbontását pont per milliméterben ( dpmm ) vagy hüvelykenként ( dpi ) mérik.

Tintasugaras nyomtatók

A tintasugaras nyomtatók nyomtatási minőségét a következők jellemzik:

Nyomtató felbontás ( DPI egység )
A nyomtató-tinta-színprofil ICC rendszer színfelbontása (nyomtatási színmezők). A nyomtatási színmezőket nagymértékben korlátozzák a használt tinta tulajdonságai. Szükség esetén a nyomtató szinte bármilyen tintára konvertálható, amely megfelel a nyomtatóban használt nyomtatófejek típusának, és szükség lehet a színprofilok újrakonfigurálására.
A nyomtatott kép felbontása. Általában nagyon eltér a nyomtató felbontásától, mivel a nyomtatók korlátozott számú színt használnak, maximum 4 ... 8-at, és mozaik színkeveréssel féltónusokat, azaz egy képelemet kapnak (hasonlóan egy képhez). pixel) sok, a nyomtató által nyomtatott elemből áll (a pontok tintacseppek)
Maga a nyomtatási folyamat minősége (anyagmozgási pontosság, kocsi pozicionálási pontosság stb.)

A tintasugaras nyomtatók felbontásának mérésére a mindennapi életben egyetlen mértékegységet alkalmaznak - DPI-t, amely megfelel a pontok számának - fizikai tintacseppek hüvelykenként a nyomtatott képen. A valóságban egy tintasugaras nyomtató tényleges felbontása (látszólagos nyomtatási minőség) több tényezőtől is függ:

A legtöbb esetben a nyomtatóvezérlő program olyan üzemmódokban tud működni, amelyek a nyomtatófej nagyon lassú mozgását biztosítják, és ennek eredményeként a nyomtatófej fúvókái által meghatározott tintapermetezési gyakoriság mellett a nyomtatott anyag nagyon magas „matematikai” felbontása. képet kapunk (néha akár 1440 × 1440 DPI-ig vagy nagyobb felbontásig). Nem szabad azonban elfelejteni, hogy az igazi kép nem "matematikai" pontokból (végtelenül kicsi átmérőjű), hanem valódi festékcseppekből áll. Meglepően nagy felbontásnál, 360...600 (körülbelül) felett a hordozóra felvitt tinta mennyisége túlzott mértékűvé válik (még akkor is, ha a nyomtató nagyon finom cseppfejekkel van felszerelve). Emiatt egy adott színű kép eléréséhez korlátozni kell a kitöltést (azaz ésszerű határokon belül vissza kell juttatni a festékcseppek számát). Ehhez mind az ICC színprofilokba varrt előre elkészített beállításokat, mind a kitöltési százalék kényszerített csökkentését használják.
Valós kép nyomtatásakor a fúvókákat fokozatosan blokkolják belső tényezők (levegőbuborékok bejutása a nyomtatófej fúvókáiba a tintával együtt) és külső tényezők (por tapadása és tintacseppek felhalmozódása a nyomtatófej felületén) . A fúvókák fokozatos blokkolása következtében nem nyomtatott csíkok jelennek meg a képen, a nyomtató elkezd „csíkozni”. A fúvókák blokkolásának sebessége a nyomtatófej típusától és a kocsi kialakításától függ. Az eltömődött fúvókák problémáját a nyomtatófej tisztítása oldja meg.
A fúvókák nem fújják le tökéletesen a tintát, de a nyomtatófej típusától függően kis szögben terjednek. A szóródás miatti cseppsodródás a nyomtatófej és a nyomtatott anyag közötti távolság csökkentésével kompenzálható, de ügyeljen arra, hogy a túlságosan leengedett fej elkaphatja az anyagot. Ez néha házassághoz vezet, különösen kemény horgok esetén a nyomtatófej megsérülhet.
A nyomtatófej fúvókái függőleges sorokban vannak elrendezve. Egy sor, egy szín. A kocsi balról jobbra és jobbról balra haladva is nyomtat. Az egyik irányba való mozgásnál a fej egy színt tesz utoljára, a másik irányba pedig az utolsó másikat. Az anyagra hulló, különböző rétegű festék csak részben keveredik, színingadozás lép fel, ami a különböző színeken másképp néz ki. Valahol szinte láthatatlan, valahol nagyon feltűnő. Sok nyomtatón csak akkor lehet nyomtatni, ha a fej egy irányba mozog (balra vagy jobbra), a fordított löket üresjáratban van (ez teljesen kiküszöböli a „matrac” hatást, de nagymértékben csökkenti a nyomtatási sebességet). Egyes nyomtatók dupla fejkészlettel rendelkeznek, miközben a fejek tükrözöttek (például: sárga-rózsaszín-cián-fekete-fekete-cián-rózsaszín-sárga), a fejek ilyen elrendezése kiküszöböli a kérdéses hatást, de bonyolultabbat igényel. beállítások - az azonos színű keverőfejek egymás között.

Lézer- és LED nyomtatók Monitorok

Pontokban mérve a monitor felületén lévő kép egységnyi hosszában ( dpmm -ben vagy dpi -ben ).

Optikai műszerek

Mikroszkópok

Az R optikai mikroszkóp felbontása az α rekeszszögtől függ :

R={\frac {1.22\lambda }{2n\sin \alpha }}

ahol α az objektív rekeszszöge, amely az objektívlencse kimeneti méretétől és a minta fókusztávolságától függ. n annak az optikai közegnek a törésmutatója , amelyben a lencse található. λ a tárgyat megvilágító vagy általa kibocsátott fény hullámhossza (fluoreszcens mikroszkópiához). Az n sin α értékét numerikus apertúrának is nevezik .

Az α , λ és η értékek átfedő határai miatt a fénymikroszkóp felbontási határa fehér fénnyel megvilágítva körülbelül 200…300 nm. Mert: a legjobb lencse α -ja megközelítőleg 70° (sin α = 0,94 ... 0,95), figyelembe véve azt is, hogy a látható fény legrövidebb hullámhossza kék ( λ = 450 nm; lila λ = 400 ... 433 nm ) , és jellemzően nagy felbontású olajimmerziós objektíveket biztosítanak ( η = 1,52 ... 1,56 ; I. Newton szerint 1,56 az ibolya törésmutatója (index) ), a következőkkel rendelkezünk:

R={\frac 0,61\times 450\,{\mbox{nm}}}{1,56\times 0,94}}=187\,{\mbox{nm}}

Más típusú mikroszkópok esetében a felbontást más paraméterek határozzák meg. Így pásztázó elektronmikroszkóp esetén a felbontást az elektronnyaláb átmérője és/vagy az elektronok és a mintaanyaggal való kölcsönhatási tartomány átmérője határozza meg.

Egyetlen teleszkóp

A műszer szögfelbontásánál kisebb szöggel elválasztott pontforrások nem oldhatók fel. Egyetlen optikai teleszkóp szögfelbontása kevesebb, mint egy ívmásodperc , de a csillagászati láthatóság és más légköri hatások megnehezítik a műszeres felbontás elérését.

A teleszkóp R szögfelbontását általában a következő kifejezéssel közelítjük

R={\frac {\lambda }{D))

ahol λ a megfigyelt sugárzás hullámhossza , D pedig a teleszkópobjektív átmérője . A kapott R -t radiánban fejezzük ki . Például 580 nm hullámhosszú sárga fény esetén 0,1 ívmásodperces felbontáshoz D = 1,2 m átmérő szükséges A szögfelbontást meghaladó sugárforrásokat kiterjesztett forrásnak vagy diffúz forrásnak, a kisebbeket pedig diffúz forrásnak nevezzük. a forrásokat pontforrásoknak nevezzük.

Ezt az 562 nm körüli fényre vonatkozó képletet Merülési határnak is nevezik .

Teleszkópos rács

A legnagyobb szögfelbontás a csillagászati interferométereknek nevezett teleszkópokkal érhető el : ezek a műszerek az optikai tartományban 0,001 ívmásodperc nagyságrendű szögfelbontást, a röntgen hullámhossz-tartományban pedig sokkal nagyobb felbontást érnek el. A rekeszszintézis képalkotáshoz nagyszámú, 2D-ben elrendezett teleszkópra van szükség , amely jobb méretpontossággal rendelkezik, mint a kívánt képfelbontás töredéke (0,25x).

Az interferométer tömb R szögfelbontása általában a következőképpen közelíthető meg:

R={\frac {\lambda }{B}}

ahol λ a megfigyelt sugárzás hullámhossza , B pedig a tömbben lévő teleszkópok maximális fizikai távolságának hossza, amelyet alapvonalnak nevezünk .

Például, hogy sárga fényt 580 nm-en, 1 ezredmásodperces felbontáshoz lehessen leképezni, 120 m × 120 m-es tömbben elhelyezett teleszkópokra van szükség, amelyek térbeli pontossága jobb, mint 145 nm.

Lásd még

Jegyzetek

↑ Born, M. Az optika alapelvei / M. Born, E. Wolf . - Cambridge University Press , 1999. - 461. o . - ISBN 0-521-64222-1 .
↑ Lord Rayleigh, FRS (1879). „Vizsgálatok az optikában, különös tekintettel a spektroszkópra” . Filozófiai Magazin . 8 (49): 261-274. DOI : 10.1080/14786447908639684 . Archiválva az eredetiből, ekkor: 2021-03-08 . Letöltve: 2021-03-20 . Elavult használt paraméter |deadlink=( súgó )
↑ Michalet, X. (2006). „Fotonstatisztika használata a mikroszkóp felbontásának növelésére”. Proceedings of the National Academy of Sciences . 103 (13): 4797-4798. Irodai kód : 2006PNAS..103.4797M . DOI : 10.1073/pnas.0600808103 . PMID 16549771 .
↑ Diffrakció: Fraunhofer-diffrakció körkörös nyílásnál . Melles Griot Optikai útmutató . Melles Griot (2002). Letöltve: 2011. július 4. Az eredetiből archiválva : 2011. július 8.. (határozatlan)
↑ A lézersugarak esetében a Rayleigh-kritérium helyett Gauss-optikát alkalmazunk, és a fenti képletben megadottnál kisebb diffrakciókorlátozott foltméret is megoldható.

Irodalom

Fadeev G. N. Kémia és szín . 2. kiadás, Rev.- M.: Felvilágosodás, 1983.- 160 p., ill.- (A tudás világa).

Linkek

A „Képminőségi jellemzők” oldal a Krasznogorszki Üzem Tudományos és Műszaki Központjának honlapján. S. A. Zvereva - a feloldóképesség, a vizuális képesség, a határelmosódás stb. fogalmai.