Resolusi adalah kemampuan sistem pencitraan untuk mereproduksi detail objek, dan bergantung pada faktor seperti jenis pencahayaan yang digunakan, ukuran piksel sensor, dan kemampuan optik. Semakin kecil detail subjek, semakin tinggi resolusi lensa yang dibutuhkan.
Pengantar proses resolusi
Kualitas gambar kamera tergantung pada sensornya. Sederhananya, sensor gambar digital adalah chip di dalam bodi kamera yang berisi jutaan titik peka cahaya. Ukuran sensor kamera menentukan seberapa banyak cahaya yang dapat digunakan untuk membuat gambar. Semakin besar sensor, semakin baik kualitas gambar karena semakin banyak informasi yang dikumpulkan. Biasanya kamera digital beriklan di pasaran untuk ukuran sensor 16mm, Super 35mm, dan terkadang hingga 65mm.
Seiring dengan bertambahnya ukuran sensor, kedalaman bidang akan berkurang pada apertur tertentu, karena rekan yang lebih besar mengharuskan Anda untuk lebih dekatobjek atau gunakan panjang fokus yang lebih panjang untuk mengisi bingkai. Untuk mempertahankan depth of field yang sama, fotografer harus menggunakan aperture yang lebih kecil.
Kedalaman bidang yang dangkal ini mungkin diinginkan, terutama untuk mencapai keburaman latar belakang untuk potret wajah, tetapi fotografi lanskap membutuhkan lebih banyak kedalaman, yang lebih mudah ditangkap dengan ukuran apertur fleksibel kamera saku.
Membagi jumlah piksel horizontal atau vertikal pada sensor akan menunjukkan berapa banyak ruang yang ditempati masing-masing piksel pada objek, dan dapat digunakan untuk mengevaluasi daya resolusi lensa dan mengatasi kekhawatiran pelanggan tentang ukuran piksel gambar digital perangkat. Sebagai titik awal, penting untuk memahami apa yang sebenarnya dapat membatasi resolusi sistem.
Pernyataan ini dapat ditunjukkan dengan contoh sepasang persegi dengan latar belakang putih. Jika kotak pada sensor kamera dipetakan ke piksel tetangga, maka kotak tersebut akan muncul sebagai satu persegi panjang besar pada gambar (1a) dan bukan dua kotak terpisah (1b). Untuk membedakan kotak, diperlukan ruang tertentu di antara mereka, setidaknya satu piksel. Jarak minimum ini adalah resolusi maksimum dari sistem. Batas absolut ditentukan oleh ukuran piksel pada sensor, serta jumlahnya.
Mengukur karakteristik lensa
Hubungan antara kotak hitam dan putih yang berselang-seling digambarkan sebagai pasangan linier. Biasanya, resolusi ditentukan oleh frekuensi,diukur dalam pasangan garis per milimeter - lp/mm. Sayangnya, resolusi lensa dalam cm bukanlah angka mutlak. Pada resolusi tertentu, kemampuan untuk melihat dua kotak sebagai objek terpisah akan bergantung pada tingkat skala abu-abu. Semakin besar pemisahan skala abu-abu antara mereka dan ruang, semakin stabil kemampuan untuk menyelesaikan kotak-kotak ini. Pembagian skala abu-abu ini dikenal sebagai kontras frekuensi.
Frekuensi spasial diberikan dalam lp/mm. Untuk alasan ini, menghitung resolusi dalam hal lp/mm sangat berguna saat membandingkan lensa dan menentukan pilihan terbaik untuk sensor dan aplikasi tertentu. Yang pertama adalah di mana perhitungan resolusi sistem dimulai. Dimulai dengan sensor, lebih mudah untuk menentukan spesifikasi lensa apa yang diperlukan untuk memenuhi persyaratan perangkat atau aplikasi lain. Frekuensi tertinggi yang diizinkan oleh sensor, Nyquist, secara efektif adalah dua piksel atau satu pasangan garis.
Definisi resolusi lensa, juga disebut resolusi ruang gambar sistem, dapat ditentukan dengan mengalikan ukuran dalam m dengan 2 untuk membuat pasangan dan membaginya dengan 1000 untuk mengubah ke mm:
lp/mm=1000/ (2 X piksel)
Sensor dengan piksel yang lebih besar akan memiliki batas resolusi yang lebih rendah. Sensor dengan piksel yang lebih kecil akan bekerja lebih baik sesuai dengan rumus resolusi lensa di atas.
Area sensor aktif
Anda dapat menghitung resolusi maksimum untuk objek yang akan dibuatmelihat. Untuk melakukan ini, perlu dibedakan antara indikator seperti rasio antara ukuran sensor, bidang pandang, dan jumlah piksel pada sensor. Ukuran yang terakhir mengacu pada parameter area aktif sensor kamera, biasanya ditentukan oleh ukuran formatnya.
Namun, proporsi yang tepat akan bervariasi menurut rasio aspek, dan ukuran sensor nominal hanya boleh digunakan sebagai pedoman, terutama untuk lensa telesentrik dan perbesaran tinggi. Ukuran sensor dapat langsung dihitung dari ukuran piksel dan jumlah piksel aktif untuk melakukan tes resolusi lensa.
Tabel menunjukkan batas Nyquist yang terkait dengan ukuran piksel yang ditemukan pada beberapa sensor yang sangat umum digunakan.
| Ukuran piksel (µm) | Coupled Nyquist limit (lp / mm) |
| 1, 67 | 299, 4 |
| 2, 2 | 227, 3 |
| 3, 45 | 144, 9 |
| 4, 54 | 110, 1 |
| 5, 5 | 90, 9 |
Saat ukuran piksel berkurang, batas Nyquist terkait dalam lp/mm meningkat secara proporsional. Untuk menentukan titik penyelesaian minimum absolut yang dapat dilihat pada suatu objek, rasio bidang pandang terhadap ukuran sensor harus dihitung. Ini juga dikenal sebagai augmentasi primer.(PMAG) sistem.
Hubungan yang terkait dengan sistem PMAG memungkinkan penskalaan resolusi ruang gambar. Biasanya, ketika merancang aplikasi, itu tidak ditentukan dalam lp/mm, melainkan dalam mikron (µm) atau pecahan inci. Anda dapat dengan cepat melompat ke resolusi akhir suatu objek dengan menggunakan rumus di atas untuk memudahkan dalam memilih resolusi lensa z. Penting juga untuk diingat bahwa ada banyak faktor tambahan, dan batasan di atas jauh lebih rentan kesalahan daripada kerumitan memperhitungkan banyak faktor dan menghitungnya menggunakan persamaan.
Menghitung panjang fokus
Resolusi gambar adalah jumlah piksel di dalamnya. Ditunjuk dalam dua dimensi, misalnya, 640X480. Perhitungan dapat dilakukan secara terpisah untuk setiap dimensi, tetapi untuk penyederhanaan ini sering direduksi menjadi satu. Untuk membuat pengukuran yang akurat pada gambar, Anda perlu menggunakan minimal dua piksel untuk setiap area terkecil yang ingin Anda deteksi. Ukuran sensor mengacu pada indikator fisik dan, sebagai suatu peraturan, tidak ditunjukkan dalam data paspor. Cara terbaik untuk menentukan ukuran sensor adalah dengan melihat parameter piksel di dalamnya dan mengalikannya dengan rasio aspek, dalam hal ini, daya resolusi lensa memecahkan masalah bidikan yang buruk.
Misalnya, kamera Basler acA1300-30um memiliki ukuran piksel 3,75 x 3,75um dan resolusi 1296 x 966 piksel. Ukuran sensor adalah 3,75 m x 1296 x 3,75 m x 966=4,86 x 3,62 mm.
Format sensor mengacu pada ukuran fisik dan tidak bergantung pada ukuran piksel. Pengaturan ini digunakan untukmenentukan lensa mana yang kompatibel dengan kamera. Agar cocok, format lensa harus lebih besar atau sama dengan ukuran sensor. Jika lensa dengan rasio aspek yang lebih kecil digunakan, gambar akan mengalami vignetting. Hal ini menyebabkan area sensor di luar tepi format lensa menjadi gelap.
Piksel dan pemilihan kamera
Untuk melihat objek dalam gambar, harus ada ruang yang cukup di antara mereka sehingga mereka tidak bergabung dengan piksel tetangga, jika tidak mereka tidak akan dapat dibedakan satu sama lain. Jika objek masing-masing satu piksel, pemisahan di antara mereka juga harus setidaknya satu elemen, berkat inilah sepasang garis terbentuk, yang sebenarnya memiliki ukuran dua piksel. Inilah salah satu alasan mengapa salah mengukur resolusi kamera dan lensa dalam megapiksel.
Ini sebenarnya lebih mudah untuk menggambarkan kemampuan resolusi sistem dalam hal frekuensi pasangan garis. Oleh karena itu, saat ukuran piksel berkurang, resolusinya meningkat karena Anda dapat menempatkan objek yang lebih kecil pada elemen digital yang lebih kecil, memiliki lebih sedikit ruang di antara mereka, dan tetap mengatur jarak antara subjek yang Anda potret.
Ini adalah model sederhana tentang cara sensor kamera mendeteksi objek tanpa mempertimbangkan noise atau parameter lain, dan merupakan situasi yang ideal.
bagan kontras MTF
Sebagian besar lensa bukanlah sistem optik yang sempurna. Cahaya yang melewati lensa mengalami tingkat degradasi tertentu. Pertanyaannya adalah bagaimana mengevaluasi inidegradasi? Sebelum menjawab pertanyaan ini, perlu didefinisikan konsep "modulasi". Yang terakhir adalah ukuran kontras len pada frekuensi tertentu. Seseorang dapat mencoba menganalisis gambar dunia nyata yang diambil melalui lensa untuk menentukan modulasi atau kontras untuk detail berbagai ukuran atau frekuensi (jarak), tetapi ini sangat tidak praktis.
Sebaliknya, jauh lebih mudah untuk mengukur modulasi atau kontras untuk pasangan garis putih dan gelap yang berselang-seling. Mereka disebut kisi persegi panjang. Interval garis dalam kisi gelombang persegi panjang adalah frekuensi (v), di mana modulasi atau fungsi kontras lensa dan resolusi diukur dalam cm.
Jumlah maksimum cahaya akan datang dari pita terang, dan minimum dari pita gelap. Jika cahaya diukur dalam kecerahan (L), modulasi dapat ditentukan menurut persamaan berikut:
modulasi=(Lmax - Lmin) / (Lmax + Lmin), di mana: Lmax adalah kecerahan maksimum garis putih di kisi, dan Lmin adalah kecerahan minimum garis gelap.
Ketika modulasi didefinisikan dalam istilah cahaya, ini sering disebut sebagai kontras Michelson karena dibutuhkan rasio pencahayaan dari pita terang dan gelap untuk mengukur kontras.
Misalnya, ada kisi gelombang persegi dengan frekuensi (v) dan modulasi tertentu, dan kontras yang melekat antara area gelap dan terang yang dipantulkan dari kisi ini melalui lensa. Modulasi gambar dan kontras lensa diukur untuk frekuensi tertentubar (v).
The modulation transfer function (MTF) didefinisikan sebagai modulasi M i dari gambar dibagi dengan modulasi stimulus (objek) M o, seperti yang ditunjukkan pada persamaan berikut.
|
MTF (v)=M i / M 0 |
Kisi uji USF dicetak pada kertas laser terang 98%. Toner printer laser hitam memiliki reflektansi sekitar 10%. Jadi nilai M 0 adalah 88%. Tetapi karena film memiliki rentang dinamis yang lebih terbatas dibandingkan dengan mata manusia, maka dapat diasumsikan bahwa M 0 pada dasarnya adalah 100% atau 1. Jadi rumus di atas bermuara pada lebih lanjut persamaan sederhana:
|
MTF (v)=Mi |
Jadi lensa MTF untuk frekuensi kisi yang diberikan (v) hanyalah modulasi kisi yang diukur (Mi) saat difoto melalui lensa ke film.
Resolusi mikroskop
Resolusi objektif mikroskop adalah jarak terpendek antara dua titik berbeda pada bidang pandang okulernya yang masih dapat dibedakan sebagai objek yang berbeda.
Jika dua titik lebih dekat daripada resolusi Anda, mereka akan tampak kabur dan posisinya tidak akurat. Mikroskop mungkin menawarkan perbesaran tinggi, tetapi jika lensa berkualitas buruk, resolusi buruk yang dihasilkan akan menurunkan kualitas gambar.
Di bawah ini adalah persamaan Abbe, di mana resolusikekuatan objektif mikroskop z adalah daya pisah yang sama dengan panjang gelombang cahaya yang digunakan dibagi 2 (bukaan numerik objektif).
Beberapa elemen mempengaruhi resolusi mikroskop. Mikroskop optik dengan perbesaran tinggi dapat menghasilkan gambar yang buram, namun tetap pada resolusi maksimum lensa.
Apertur digital lensa memengaruhi resolusi. Daya pisah lensa objektif mikroskop adalah angka yang menunjukkan kemampuan lensa untuk mengumpulkan cahaya dan menyelesaikan suatu titik pada jarak tetap dari objektif. Titik terkecil yang dapat diselesaikan oleh lensa sebanding dengan panjang gelombang cahaya yang dikumpulkan dibagi dengan angka aperture numerik. Oleh karena itu, jumlah yang lebih besar sesuai dengan kemampuan lensa yang lebih besar untuk mendeteksi titik yang sangat baik di bidang pandang. Apertur numerik lensa juga bergantung pada jumlah koreksi aberasi optik.
Resolusi lensa teleskop
Seperti corong cahaya, teleskop mampu mengumpulkan cahaya secara proporsional dengan luas lubang, properti ini adalah lensa utama.
Diameter pupil mata manusia yang beradaptasi gelap hanya di bawah 1 sentimeter, dan diameter teleskop optik terbesar adalah 1.000 sentimeter (10 meter), sehingga teleskop terbesar memiliki koleksi satu juta kali lebih besar luas dari mata manusia.
Inilah sebabnya teleskop melihat objek yang lebih redup daripada manusia. Dan memiliki perangkat yang mengumpulkan cahaya menggunakan sensor pendeteksi elektronik selama berjam-jam.
Ada dua jenis utama teleskop: refraktor berbasis lensa dan reflektor berbasis cermin. Teleskop besar adalah reflektor karena cermin tidak harus transparan. Cermin teleskop adalah salah satu desain yang paling presisi. Kesalahan yang diperbolehkan di permukaan adalah sekitar 1/1000 lebar rambut manusia - melalui lubang 10 meter.
Cermin dulunya terbuat dari lempengan kaca tebal yang besar agar tidak kendur. Cermin hari ini tipis dan fleksibel, tetapi dikendalikan komputer atau disegmentasi dan disejajarkan dengan kontrol komputer. Selain tugas menemukan objek samar, tujuan astronom juga untuk melihat detail halusnya. Sejauh mana detail dapat dikenali disebut resolusi:
- Gambar kabur=resolusi buruk.
- Gambar jernih=resolusi bagus.
Karena sifat gelombang cahaya dan fenomena yang disebut difraksi, diameter cermin atau lensa teleskop membatasi resolusi akhirnya relatif terhadap diameter teleskop. Resolusi di sini berarti detail sudut terkecil yang dapat dikenali. Nilai kecil sesuai dengan detail gambar yang sangat baik.
Teleskop radio harus berukuran sangat besar untuk memberikan resolusi yang baik. atmosfer bumi adalahbergejolak dan mengaburkan gambar teleskop. Astronom terestrial jarang dapat mencapai resolusi maksimum peralatan. Efek turbulen atmosfer pada bintang disebut penglihatan. Turbulensi ini menyebabkan bintang-bintang "berkerlap-kerlip". Untuk menghindari kekaburan atmosfer ini, para astronom meluncurkan teleskop ke luar angkasa atau menempatkannya di pegunungan tinggi dengan kondisi atmosfer yang stabil.
Contoh perhitungan parameter
Data untuk menentukan resolusi lensa Canon:
- Ukuran piksel=3,45 m x 3,45 m.
- Piksel (H x V)=2448 x 2050.
- Bidang pandang yang diinginkan (horizontal)=100 mm.
- Batas resolusi sensor: 1000/2x3, 45=145 lp / mm.
- Dimensi Sensor: 3,45x2448/1000=8,45 mm3, 45x2050/1000=7,07 mm.
- PMAG:8, 45/100=0,0845 mm.
- Mengukur resolusi lensa: 145 x 0,0845=12,25 lp/mm.
Sebenarnya, perhitungan ini cukup rumit, tetapi akan membantu Anda membuat gambar berdasarkan ukuran sensor, format piksel, jarak kerja, dan bidang pandang dalam mm. Menghitung nilai ini akan menentukan lensa terbaik untuk gambar dan aplikasi Anda.
Masalah optik modern
Sayangnya, menggandakan ukuran sensor menciptakan masalah tambahan untuk lensa. Salah satu parameter utama yang mempengaruhi biaya lensa gambar adalah formatnya. Merancang lensa untuk sensor format yang lebih besar membutuhkanbanyak komponen optik individu, yang harus lebih besar dan transfer sistem lebih kaku.
Lensa yang dirancang untuk sensor 1" dapat berharga lima kali lipat dari lensa yang dirancang untuk sensor ", meskipun tidak dapat menggunakan spesifikasi yang sama dengan resolusi piksel terbatas. Komponen biaya harus dipertimbangkan sebelum bagaimana untuk menentukan daya pisah lensa.
Pencitraan optik saat ini menghadapi lebih banyak tantangan dibandingkan satu dekade lalu. Sensor yang digunakan memiliki persyaratan resolusi yang jauh lebih tinggi, dan ukuran format didorong secara bersamaan baik lebih kecil maupun lebih besar, sementara ukuran piksel terus menyusut.
Di masa lalu, optik tidak pernah membatasi sistem pencitraan, hari ini memang demikian. Di mana ukuran piksel tipikal adalah sekitar 9 m, ukuran yang jauh lebih umum adalah sekitar 3 m. Peningkatan kepadatan titik 81x ini telah berdampak buruk pada optik, dan meskipun sebagian besar perangkat bagus, pemilihan lensa kini lebih penting dari sebelumnya.
