Характеристики объективов

Расстояние до объекта

Фокусное расстояние до объекта

На рис.1 (в начале статьи) показано, что объекты «1» и «2», находящиеся под одним и тем же углом обзора, на матрице отображаются одинаково, количество задействованных пикселей на восприятие обоих объектов, равно. Иными словами, количество информации приходит разное, но ближе расположенный объект, обладает меньшим объёмом данных – его детализация получается чётче, мелкие детали не «смазываются», не сливаются друг с другом.

Для того чтобы увеличить разрешение, детализацию объекта, необходимо приблизить объект «2» к объективу. Осуществляется это изменением фокусного расстояния, то есть, камера «наезжает» на объект. Но это применимо только для видеокамер, имеющих объективы с изменяемым фокусным расстоянием («плавающий» объектив).

Возможно оснащение приёмного устройства специальным программным обеспечением, позволяющим обрабатывать полученный цифровой сигнал, с целью увеличения детализации наблюдаемого объекта. Но это повлечёт к значительному удорожанию системы видеонаблюдения.

Примеры зависимости чёткости картинки от фокусного расстояния объектива, угла обзора и расстояния до объекта приведены в таблице:

Примечание: человек с нормальным зрением охватывает около 34…38 градусов в горизонтальной плоскости. Это соответствует примерно 6,9 мм среднего фокусного расстояния с матрицей = 1/3”. Камеры с объективами менее 7 мм (короткофокусные) будут оптически удалять объект; при объективах свыше 7 мм (средне- и длиннофокусные) происходит визуальное приближение объекта.

При расчётах дистанций, за основу принимаются европейские нормы:

• 20 пикселей/метр – норма для разрешения при обнаружении объекта в поле обзора;
• 100 пикселей/метр – показатель, применяемый при распознавании объекта;
• 250 пикселей/метр – разрешение при идентификации;

В тексте приведены определяющие факторы, отвечающие за угол обзора видеокамеры.

Но в процессе эксплуатации возникают такие факторы, влияющие на показатели прибора:

• нарушение работоспособности объектива, в случае изготовления оптической составляющей из полимерного материала (помутнение объектива);
• некачественное закрепление корпуса к опорной конструкции (дрожание от порывов ветра или других воздействий);
• утрата своих свойств смазочной составляющей в конструкции видеокамеры (сложность перемещения самой камеры или объектива);
• электронные помехи, влияющие на передаваемый сигнал, а также другие различные факторы;

Кроме теоретических расчётов по углу обзора, важными факторами являются:

• точка установки, должна обеспечить максимальный обзор в вертикальной и горизонтальной плоскостях;
• защищенность от воздействия климатических или каких-либо механических воздействий;
• доступность, при совершении профилактических работ по поднастройке видеокамеры и профилактическому обслуживанию;

Каждый объект требует индивидуального подхода при определении угла обзора, чёткости картинки на мониторе. Всё это определяется при постановке задач по определению параметров наблюдаемой территории и рассчитывается специалистами.

Влияние аналоговой полосы пропускания на разрешение

Пространственное разрешение цифровых систем (например, HDTV и VGA ) фиксируется независимо от аналоговой полосы пропускания, поскольку каждый пиксель оцифровывается, передается и сохраняется как дискретное значение. Цифровые камеры, записывающие устройства и дисплеи должны быть выбраны таким образом, чтобы разрешение от камеры к дисплею было одинаковым. Однако в аналоговых системах разрешение камеры, записывающего устройства, кабелей, усилителей, передатчиков, приемников и дисплея может быть независимым, а общее разрешение системы определяется полосой пропускания самого низкоэффективного компонента.

В аналоговых системах каждая горизонтальная линия передается как высокочастотный аналоговый сигнал. Таким образом, каждый элемент изображения (пиксель) преобразуется в аналоговое электрическое значение (напряжение), и, следовательно, изменения значений между пикселями становятся изменениями напряжения. Стандарты передачи требуют, чтобы выборка производилась в фиксированное время (обрисовано в общих чертах ниже), поэтому большее количество пикселей на строку становится требованием для большего количества изменений напряжения в единицу времени, т. Е. Более высокой частоты. Поскольку такие сигналы обычно ограничиваются кабелями, усилителями, записывающими устройствами, передатчиками и приемниками, ограничение полосы для аналогового сигнала действует как эффективный фильтр нижних частот для пространственного разрешения. Разница в разрешении между VHS (240 различимых строк на строку сканирования), Betamax (280 строк) и более новым форматом ED Beta (500 строк) объясняется в первую очередь разницей в полосе пропускания записи.

В стандарте передачи NTSC каждое поле содержит 262,5 строки, и каждую секунду передается 59,94 поля. Следовательно, каждая строка должна занимать 63 микросекунды, 10,7 из которых предназначены для сброса на следующую строку. Таким образом, скорость восстановления составляет 15,734 кГц. Чтобы изображение имело примерно одинаковое разрешение по горизонтали и вертикали (см. Коэффициент Келла ), оно должно отображать 228 циклов на строку, что требует полосы пропускания 4,28 МГц. Если ширина линии (датчика) известна, ее можно напрямую преобразовать в количество циклов на миллиметр, единицу пространственного разрешения.

Сигналы телевизионной системы B / G / I / K (обычно используемые с цветовым кодированием PAL ) передают кадры реже (50 Гц), но кадр содержит больше строк и шире, поэтому требования к полосе пропускания аналогичны.

Обратите внимание, что «различимая линия» составляет половину цикла (для цикла требуется темная и светлая линии), поэтому «228 циклов» и «456 линий» являются эквивалентными показателями.

Соотношение «сигнал-шум»

Если чувствительность высока, то в условиях съёмки с малой интенсивностью освещения сенсор «почувствует» слабо освещённые детали снимаемой сцены. Однако, в такой ситуации необходимо, чтобы уровень шума был как можно ниже. «Почувствованные» детали будут искажены тем сильнее, чем выше уровень шума. Поэтому, смежной к чувствительности и, часто, более практически полезной характеристикой является соотношение «сигнал-шум» (на англ. signal-to-noise ratio, аббр. SNR), которое учитывает как количество «подлетевших» фотонов по отношению к количеству накопленных электронов, так и уровень шума.

Обычно, соотношение «сигнал-шум» измеряется, как и динамический диапазон, в децибелах.

Чем оно больше, тем более технически качественное изображение способен создать светочувствительный сенсор, в том числе, при малой интенсивности освещения снимаемой сцены. В частности, из-за разного соотношения «сигнал-шум» в одинаковых условиях съёмки (в том числе, с одинаковыми значениями чувствительности ISO равными, например, 100 ISO) с помощью двух различных моделей фотоаппаратов можно создать отличающиеся по техническому качеству изображения: одно получится менее искажённым, другое более искажённым.

Соотношение «сигнал-шум» в отличие от чувствительности является переменной величиной, зависит от количества фотонов, «подлетевших» к поверхности сенсора, по сути, от интенсивности освещения снимаемой сцены. Потому что уровень многих шумов (ниже я обозначу существование различных видов шумов) остаётся примерно постоянным или медленно увеличивается по мере того, как растёт интенсивность облучения светочувствительного сенсора, другими словами, по мере того, как растёт освещённость снимаемой сцены. Однако, максимальное соотношение «сигнал-шум» – величина постоянная, прямо зависящая от средней «вместимости» сенселей.

Таким образом, текущее значение чувствительности ISO, выбранное фотографом, может быть маленьким, и диапазон чувствительностей ISO может быть узким, а чувствительность сенсора может быть высокой. Если дополнительно уровень шума низок, то изображение слабоосвещённых деталей снимаемой сцены получится высококачественным. Начиная с настоящей статьи, я буду разделять понятия «чувствительность к свету», «соотношение “сигнал-шум”» и «чувствительность ISO». В повседневной практике удобнее, по-прежнему, оперировать последней характеристикой, при выборе фотоаппарата – первой или второй.

Разрешающая способность микроскопа

Качество изображения определяется разрешающей способностью микроскопа, т.е. минимальным расстоянием, на котором оптика микроскопа может различить раздельно две близко расположенные точки. разрешающая способность зависит от числовой апертуры объектива, конденсора и длины волны света, которым освещается препарат. Числовая апертура (раскрытие) зависит от угловой апертуры и показателя преломления среды, находящейся между фронтальной линзой объектива и конденсора и препаратом.

Угловая апертура объектива — это максимальный угол (AOB), под которым могут попадать в объектив лучи, прошедшие через препарат. Числовая апертура объектива равна произведению синуса половины угловой апертуры на показатель преломления среды, находящейся между предметным стеклом и фронтальной линзой объектива. N.A. = n • sinα где, N.A. — числовая апертура; n — показатель преломления среды между препаратом и объективом; sinα — синус угла α равного половине угла АОВ на схеме.

Таким образом, апертура сухих систем (между фронтальной линзой объектива и препаратом-воздух) не может быть более 1 (обычно не более 0,95). Среда, помещаемая между препаратом и объективом, называется иммерсионной жидкостью или иммерсией, а объектив, рассчитанный для работы с иммерсионной жидкостью, называют иммерсионным. Благодаря иммерсии с более высоким показателем преломления чем у воздуха, можно повысить числовую апертуру объектива и, следовательно, разрешающую способность.

Числовая апертура объективов всегда гравируется на их оправах. Разрешающая способность микроскопа зависит также от апертуры конденсора. Если считать апертуру конденсора равной апертуре объектива, то формула разрешающей способности имеет вид R=λ/2NA, где R — предел разрешения; λ — длина волны; N.A — числовая апертура. Из этой формулы видно, что при наблюдении в видимом свете (зеленый участок спектра — λ=550нм), разрешающая способность (предел разрешения) микроскопа не может быть > 0,2мкм

Общие сведения [ править | править код ]

Разрешение принципиально ограничено дифракцией на объективе: видимые точки являются не чем имым, как дифракционными пятнами. Две соседние точки разрешаются, если минимум интенсивности между ними достаточно мал, чтобы его разглядеть. Для снятия зависимости от субъективности восприятия был введен эмпирический критерий разрешения Рэлея, который определяет минимальное угловое расстояние между точками как

где θ — угловое разрешение (минимальное угловое расстояние), λ — длина волны, D — диаметр объектива.

Коэффициент подобран так, чтобы интенсивность в минимуме между пятнами была равна примерно 0,8 от интенсивности в их максимумах — считается, что этого достаточно для различения невооруженным глазом.

Разрешение системы

Есть два метода определения разрешения системы. Первый — выполнить серию двумерных сверток , сначала с изображением и линзой, затем с результатом этой процедуры с датчиком и так далее по всем компонентам системы. Это затратно с точки зрения вычислений и должно выполняться заново для каждого объекта, который нужно отобразить.

Другой метод — преобразовать каждый из компонентов системы в пространственно-частотную область, а затем умножить двумерные результаты. Ответ системы может быть определен без ссылки на объект. Хотя этот метод значительно сложнее понять концептуально, его становится проще использовать в вычислительном отношении, особенно когда необходимо тестировать различные итерации дизайна или визуализированные объекты.

Используемое преобразование — это преобразование Фурье.

Поле зрения телескопа

Поле зрения телескопа = поле зрения окуляра / Г
Поле зрения окуляра указано в его паспорте, а увеличение Г телескопа с данным окуляром мы уже знаем как расчитать: Г=F/f.
Чем полезно знание поля зрения телескопа?
Чем больше поле зрения телескопа, тем больший кусок неба виден, но тем мельче объекты.
Зная какое поле (угол) захватит ваш телескоп при заданном увеличении, и зная уговые размеры искомого объекта, можно прикинуть какую часть поля зрения займёт этот объект,
то есть прикинуть общий вид того, что вы увидите в окуляре.
Если вы ищете объект не по координатам, а по картам, то полезно сделать из проволоки колечки, которые соответствуют на карте угловым полям зрения ваших окуляров в составе данного телескопа.
Тогда гораздо легче ориентироваться: двигая телескоп от звезды к звезде и одновременно перемещая колечко на карте, вы легко можете сверять оба изображения.

Теперь, когда примерно ясна взаимосвязь характеристик телескопа, можно другими глазами посмотреть на то,
что можно увидеть в телескопы разных размеров.

Николай Курдяпин, kosmoved.ru 

Диафрагма и фокусное расстояние

Различная диафрагма на одном объективе.

Как фокусное расстояние влияет на композицию фотографии: регулируя расстояние камеры от основного объекта при изменении фокусного расстояния, основной объект может оставаться того же размера, а другой, находящийся на другом расстоянии, изменяет размер.

Два основных параметра оптической линзы — это фокусное расстояние и максимальная диафрагма . Фокусное расстояние объектива определяет увеличение изображения, проецируемого на плоскость изображения, а апертура — интенсивность света этого изображения. Для данной фотографической системы фокусное расстояние определяет угол зрения , короткие фокусные расстояния дают более широкое поле зрения, чем линзы с более длинным фокусным расстоянием. Более широкая диафрагма, определяемая меньшим числом f, позволяет использовать более короткую выдержку для той же экспозиции. Уравнение , или G #, представляет собой отношение яркости, достигающей датчика камеры, к освещенности в фокальной плоскости объектива камеры.

Максимальная используемая диафрагма объектива определяется как фокусное отношение или f-число , определяемое как фокусное расстояние объектива, деленное на эффективную диафрагму (или входной зрачок ), безразмерное число. Чем ниже число f, тем выше интенсивность света в фокальной плоскости. Большие диафрагмы (меньшие f-числа) обеспечивают гораздо меньшую глубину резкости, чем меньшие диафрагмы, при прочих равных условиях. Практические узлы объектива могут также содержать механизмы для измерения света, вторичные апертуры для уменьшения бликов и механизмы, удерживающие диафрагму открытой до момента экспонирования, чтобы позволить зеркальным камерам сфокусироваться с более ярким изображением с меньшей глубиной резкости, что теоретически позволяет лучше точность фокусировки.

Фокусные расстояния обычно указываются в миллиметрах (мм), но на более старых объективах могут быть нанесены отметки в сантиметрах (см) или дюймах. Для данного размера пленки или сенсора, определяемого длиной диагонали, линзы могут быть классифицированы как:

• Нормальный объектив : угол обзора по диагонали около 50 ° и фокусное расстояние примерно равно диагонали изображения.
• Широкоугольный объектив : угол обзора более 60 ° и фокусное расстояние меньше обычного.
• Длиннофокусный объектив : любой объектив с фокусным расстоянием больше диагонали пленки или сенсора. Угол обзора уже. Наиболее распространенным типом длиннофокусных объективов является телеобъектив , конструкция которого использует особые оптические конфигурации, чтобы сделать объектив короче его фокусного расстояния.

Побочным эффектом использования линз с разным фокусным расстоянием является разное расстояние, с которого можно сфотографировать объект, что приводит к разной перспективе . Можно сделать снимки человека, протягивающего руку с широкоугольным объективом, обычным объективом и телефото, которые содержат точно такой же размер изображения, изменяя расстояние от объекта. Но перспектива будет другой. С широким углом руки будут чрезмерно большими по сравнению с головой. По мере увеличения фокусного расстояния акцент на вытянутой руке уменьшается. Однако, если снимки сделаны с одинакового расстояния, увеличены и обрезаны для получения одного и того же вида, снимки будут иметь одинаковую перспективу. Умеренный длиннофокусный (телефото) объектив часто рекомендуется для портретной съемки, потому что перспектива, соответствующая большему расстоянию съемки, считается более привлекательной.

Считается, что самым широким светосильным объективом в истории фотографии является Carl Zeiss Planar 50mm f / 0.7 , который был разработан и изготовлен специально для лунной программы NASA Apollo по съемке обратной стороны Луны в 1966 году. Были приобретены три таких объектива. режиссера Стэнли Кубрика , чтобы снять сцены из своего фильма « Барри Линдон» , используя свет свечей в качестве единственного источника света.

Пример того, как выбор объектива влияет на угол обзора. Фотографии были сделаны 35-миллиметровой камерой на постоянном расстоянии от объекта.

Резюмируем

Сразу хочу развеять ваши сомнения. Цель этой статьи — заложить у вас понимание, что и как работает. Не расстраивайтесь, если многое непонятно — главное, создать «полочки» в вашей голове, структуру, а потом по мере надобности заполнять их информацией. Но материал, безусловно, важен и является костяком для понимания фотографии. Поэтому, если совсем ничего непонятно, перечитайте еще раз либо вернитесь к нему позднее. И специально для вас сделаю краткую выдержку из того, что желательно отложить у себя в голове:

Матрица – это один из важнейших элементов в камере, который фиксирует свет, превращая его в электрические сигналы. Не может быть заменена в камере. Является аналогом пленки в пленочных фотоаппаратах.
Процесс получения снимка, когда открыт затвор, называется экспонированием.
Матрица имеет множество характеристик. Размер – одна из важнейших, по нему косвенно можно предполагать остальные параметры. Как класс автомобиля – от седана B-класса не ждешь огромного пространства, как в седане E-класса, каким бы продвинутым и дорогим он ни был.
Выбирая камеру с тем или иным размером матрицы, стоит понимать ее достоинства и недостатки и быть готовым ими пользоваться. Маленькая матрица больше всего страдает в условиях, когда света недостаточно
Если планируете развиваться в сфере фотографии и вам это действительно нравится, советую обратить внимание на формат Micro 4/3 или остановиться на APS-C варианте.
Качественная матрица — залог хорошего изображения. При выборе камеры нужно начинать с нее
С другой стороны, в крайности бросаться тоже не нужно – дорогая полнокадровая камера с дешевым объективом вряд ли принесет хороший результат. Точнее, он будет хуже, чем мог бы быть. Но сегодня камеру с откровенно плохой матрицей нужно поискать.
Не гонитесь за высоким разрешением

Даже минимального в современных камерах будет за глаза.
Вообще по приоритету, что важно для получения качественного изображения, писал тут. Рекомендую прочесть, если еще не читали

Если у вас сложилось впечатление превосходства технических параметров над творчеством, эта статья покажет вам обратное, подводя к мысли, что важен баланс. Возможно смещение в творческую сторону. Но смещение в сторону технофильства ни к чему хорошему в плане результатов не приводит.

Промышленные методы тестирования разрешения оптики

Здесь полезно окунуться чуть-чуть в теорию и узнать, что такое графики MTF50.

Небезызвестная фирма Carl Zeiss (никуда нам не деться от пионера фотоиндустрии и новатора мира оптики) выпустила специальные стенды для тестирования разрешения объективов с построением классических графиков MTF50.

тестовый стенд K8 MTF tester (Carl Zeiss)

Этот комплекс строит замечательные графики MTF50, которые отвечают на многие вопросы фотографа и не зависят от оператора.

Кроме этого стенда есть упрощенный стенд К9.

тестовый стенд K9 MTF tester (Carl Zeiss)

Забегу вперед и скажу, что практически никто кроме производителей фотооптики такие стенды не использует.
По слухам один такой стенд в состоянии сильно б.у. кочует между дорогими зарубежными журналами и сейчас во владении некоего шведского журнала по фотооптике. Который впрочем не использует стенд и на 30%.

Чтобы закрыть вопрос окончательно приведу стоимость этого стенда (K8 MTF Tester). Стоимость зависит от комплектации и потому её говорят только по запросу. В некоей стандартной простой комплектации стенд стоит 200 000 евро.
Для промышленности это небольшая сумма, но для журналов и сайтов с обзорами это сумма велика, особенно в период финансовых кризисов.

Что же делать и куда податься тестирующим фотооптику и фотографам?
И тут на помощью приходят компромиссные способы определения разрешения.

ЧКХ и диафрагма: поиск «зоны наилучшего восприятия» объектива

ЧКХ объектива обычно повышается по мере закрытия диафрагмы, достигая максимума в средних ступенях, после чего по мере дальнейшего закрытия диафрагмы снова спадает. Следующий график показывает MTF-50 высококачественного объектива при различных диафрагмах:

Диафрагма, соответствующая максимуму ЧКХ, является так называемой «зоной наилучшего восприятия» объектива, поскольку при ней изображения будут в целом иметь наилучшую резкость и контрастность. На полнокадровой камере и на кроп-сенсоре зона наилучшего восприятия обычно находится где-то между f/8.0 и f/16, в зависимости от объектива. Положение зоны наилучшего восприятия не зависит от числа мегапикселей камеры.

Технические примечания:

• При больших диафрагмах разрешение и контраст в основном ограничены аберрациями света. Аберрация возникает, когда несовершенство конструкции объектива приводит к тому, что светлая точка в изображении не сходится в точку на сенсоре камеры.
• При малых диафрагмах разрешение и контраст в основном ограничены дифракцией. В отличие от аберраций, дифракция является фундаментальным физическим пределом, вызванным рассеиванием света, которое необязательно вызвано неудачной конструкцией объектива.
• Как следствие, высоко- и низкокачественные объективы весьма похожи при закрытых диафрагмах (таких как f/16-32 на полном кадре или asp-c).
• На больших диафрагмах высококачественные объективы имеют огромное преимущество, поскольку материалы и сборка объектива оказывают большое влияние. Фактически, для идеального объектива оптимальной является полностью открытая диафрагма.

Однако, не стоит приходить к выводу, будто оптимальная диафрагма вообще не зависит от предмета съёмки. Зона наилучшего восприятия по центру изображения может не быть таковой для краёв и углов изображения; зачастую для них потребуется закрыть диафрагму сильнее. Далее, всё это подразумевает, что предмет съёмки находится в идеальном фокусе; объекты вне глубины резкости наверняка выиграют в резкости, если диафрагма будет прикрыта сильнее, чем требуется для так называемой зоны наилучшего восприятия.

Как узнать расширение фотоаппарата

В характеристиках фотокамеры указано максимально возможное разрешение получаемого снимка. Но в настройках камеры разрешение получаемого фотоснимка можно изменить. Вычислить, какое разрешение было выставлено на фотоаппарате при съемке можно, умножив ширину снимка на высоту в пикселях.

Узнать эти параметры можно, посмотрев свойства фотографии.

• Для этого в проводнике на выбранной фотографии нажимаете правой кнопкой мыши и в выпадающем меню выбираете «Свойства».
• На одной из вкладок (в зависимости от операционной системы) будет подробная информация о фотографии, где вы сможете увидеть не только разрешение фотоснимка, но и другие параметры, которые были выставлены при съемке.
• Например, разрешение снимка составляет 3861 х 2574 = 9938214, то есть 10 мегапикселей. При этом максимальное разрешение этого фотоаппарата составляет 24 мегапикселя.
• То есть снимок сделан не с полным разрешением, которые позволяет сделать фотоаппарат, а с разрешением более чем в два раза меньше возможного.

Настройки камеры

Настройки зависят от сцены и оборудования. Нам нужно сделать как можно более резкий снимок. Для этого лучше всего закрыть диафрагму до значения от F/5,6 до F/11 для получения максимальной резкости.

Кроме того, лучше всего использовать достаточно быструю скорость затвора, чтобы исключить шевелёнку. Есть хорошее правило, позволяющее гарантировано получать резкие снимки. Выдержка должна составлять 1/(2*фокусное расстояние). Так что если вы используете объектив 50mm, то выдержка должна быть 1/100 секунды или быстрее.

Это также важно использовать достаточно низкое значение ISO, так этот метод лучше всего работает в хорошо освещенных сценах. В камере нужно установить самую высокую скорость непрерывной съёмки

Желательно сделать по крайней мере 20 изображений. Технически, чем больше изображений будет использовано, тем лучше, но это существенно увеличит нагрузку на компьютер, при этом выигрыш будет минимальный

В камере нужно установить самую высокую скорость непрерывной съёмки. Желательно сделать по крайней мере 20 изображений. Технически, чем больше изображений будет использовано, тем лучше, но это существенно увеличит нагрузку на компьютер, при этом выигрыш будет минимальный.

Также важно снимать в формате RAW, чтобы получить наилучшую детализацию. Когда камера обрабатывает JPEG, процессор камеры производит снижение шума, коррекцию цвета и сглаживание изображения, что негативно скажется на создании резкого снимка с хорошей детализацией

JPEG будет работать, но RAW будет лучше.

• Диафрагма от F/5,6 до F/11
• Скорость затвора 1/2 от фокусного расстояния
• Наименьший возможный ISO
• Режим непрерывной съёмки минимум 20 изображений
• Формат RAW

При съемке, попробуйте сделать несколько серий изображений. Помните, что между снимками должно быть минимальное движение, поэтому не пытайтесь специально двигать камеру. Ваши руки и так будут слегка трястись. Этого будет вполне достаточно.

Проверьте и зафиксируйте фокус. При автофокусировке камера может изменить точку фокусировки. Этот метод не будет работать с размытыми фотографиями.