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分辨率
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分辨率

成像資源指南第2.1部份

Resolution

瞭解製造商的鏡頭規格可以顯著簡化調查和採購流程。為瞭解鏡頭的工作原理,必須先瞭解分辨率、放大倍率、對比度、f/#以及如何閱讀常見的效能曲線,包括調製轉換函數(MTF)、景深(DOF)、相對照度和失真度。

分辨率是衡量成像系統能否再現物體細節的一個指標,可能會受所使用的照明類型、傳感器像素大小或光學元件功能等因素影響。物體細節越小,所需的分辨率越高。

將傳感器上的水平或垂直像素數量劃分為希望觀察的物體尺寸,將指示每個像素在物體上覆蓋的空間量,並且可用於評估解析度。但是,這並不能真正確定是否能將該像素上的資訊與任何其他像素上的資訊加以區分。

首先,務必瞭解哪些因素可以實際限制系統分辨率。圖1顯示了一則範例:白色背景上有一對方形。如果這對方形在相機傳感器上相鄰像素間成像,則會在圖像中顯示為一個較大的矩形(1a),而不是兩個單獨的方形(1b)。為了區分這兩個方形,需要在它們之間留出一定的空間(至少一個像素)。這一最小距離就是系統的極限分辨率。此極限是由傳感器的像素大小以及傳感器的像素數量來定義。

解析兩個方形。如果方形之間的空間過小(a),相機感測器將無法將其分辨為單獨的物體
圖 1: 解析兩個方形。如果方形之間的空間過小(a),相機感測器將無法將其分辨為單獨的物體。

T線對和傳感器極限

交替的黑白方形之間的關係通常被描述為線對。通常,解析度由頻率決定,而頻率則透過每公釐線對數(lp/mm)來測量。遺憾的是,鏡頭的分辨率並不是一個絕對數值。給定解析度下,將兩個方形顯示為單獨實體的能力取決於灰階等級。方形之間的灰階分離以及空間越大(圖1b),解析方形的能力就越強。這種灰階分離被稱為對比度(於指定頻率下)。給定的空間頻率以lp/mm為單位。有鑑於此,在比較鏡頭以及確定給定傳感器和應用的最佳選擇時,以lp/mm為單位計算解析度尤為有用。application note更深入地介紹了對比度。

傳感器是計算系統分辨率的起點。從傳感器開始,更容易確定什麼樣的鏡頭效能才能符合傳感器或其他應用之要求。傳感器可解析的最高頻率稱作奈奎斯特頻率(Nyquist frequency),實際上是兩個像素或一個線對。表1顯示了與某些常用傳感器上的像素大小相關聯的奈奎斯特極限。傳感器的分辨率亦稱系統的圖像空間解析度,可透過如下方式計算:將像素大小(μm)乘以2(以建立對),然後將乘積除以1000以轉換為mm:

Equation 1 (1)

像素較大的傳感器具有較低的分辨率。像素較小的傳感器具有較高的分辨率。

利用此資訊,可以計算出要檢視之物體上的分辨率。若要執行此操作,必需瞭解傳感器尺寸、視場和傳感器上的像素數量之間的關係。

傳感器尺寸係指相機傳感器有效區域的大小,通常由傳感器格式大小指定。但是,確切的傳感器比例會視寬高比而異,而且標稱傳感器格式應該僅用作指引,特別是對於遠心鏡頭和高放大倍率物鏡。傳感器尺寸可以直接根據像素大小和傳感器上的有效像素數量來計算。

Equation 2 (2)
Equation 3 (3)
Pixel Size (μm)Associated Nyquist Limit (lp/mm)
1.67 299.4
2.2 227.3
3.45 144.9
4.54 110.1
5.5 90.9
表 1: 隨著像素大小變小,相關聯的奈奎斯特極限 (lp/mm)會呈比例升高。

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