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解析度與對比度限制: 艾里斑
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解析度與對比度限制: 艾里斑

成像資源指南第2.5部份

光穿過任何尺寸的孔徑時(每個鏡頭都具有有限孔徑),都會產生繞射。所產生之繞射圖案(中心是一塊明亮區域,週圍是一系列亮度逐漸下降的同心圓環)被稱為艾里斑(請參閱圖1)。

此圖案的直徑與照明光線的波長(λ)以及圓形孔徑的大小相關,這一點非常重要,因為艾里斑是光束可以對焦到的最小點。隨著從物體上不同細節對焦所產生之艾里斑圖案聚集,它們開始重疊(有關對比度的更多資訊,請參閱對比度)。當重疊圖案對降低對比度產生足夠大的影響時,它們最終將無法相互區分。圖1顯示了於f/2.8設定的鏡頭和於f/8設定的鏡頭之間光斑大小的差別。

隨著像素大小繼續減小,其影響會越來越顯著,最終難以克服。艾里斑(或最小光斑大小)可以使用f/#和波長(μm)來計算:

Equation 1 (1)
繞射效應隨成像鏡頭光圈縮小(f/#增加)而增加
圖 1: 繞射效應隨成像鏡頭光圈縮小(f/#增加)而增加。

表1顯示了使用綠光(520nm或0.520μm)計算得出之不同f/#s的艾里斑直徑。可實現的最小光斑大小可能會輕易超過小像素的大小。在嘗試發揮具有任何可用級別對比度之感測器的最大解析度能力時,這會帶來難題。此外,這也沒有考慮任何鏡頭設計的限制以及與鏡頭元件和光學元件相關的製造誤差,而這些因素會導致產生物理上可實現之最小光斑的能力下降,進而降低解析度和對比度級別。

f/#Airy Disk Diameter (μm) at a Wavelength of 520nm
1.4 1.78
2 2.54
2.8 3.55
4 5.08
5.6 7.11
8 10.15
11 13.96
16 20.30

表 1: 最小光斑大小(或艾里斑)隨f/#增加而增加,並可快速超過像素大小。


注意: 這些都是理論分析,是光學系統中限制的起點。

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