У этого термина существуют и другие значения, см. Разрешение.
Мира для определения разрешающей способности оптики на серой шкале «НШ-2»
Разреше́ние — способность оптического прибора воспроизводить изображение близко расположенных объектов.
Не следует путать с аппретурой — процессом придания товарного вида тканям, коже, волокну, бумаге и т. п.
Апертура (от лат. — «отверстие, устье»):
У этого термина существуют и другие значения, см. Апертура.
Большая
и маленькая
апертура.
Апертура (лат. — отверстие) в оптике — характеристика оптического прибора, описывающая его способность собирать свет и противостоять дифракционному размытию деталей изображения. В зависимости от типа оптической системы эта характеристика может быть линейным или угловым размером. Как правило, среди деталей оптического прибора специально выделяют так называемую апертурную диафрагму, которая сильнее всего ограничивает диаметры световых пучков, проходящих через оптический инструмент. Часто роль такой апертурной диафрагмы выполняет оправа или края одного из оптических элементов (линзы, зеркала, призмы).
Входная апертура — характеристика способности оптической системы собирать свет от объекта наблюдения. Если объект удалённый (как у телескопа или обычного фотообъектива) то апертуру измеряют в линейном виде — как диаметр светового пучка на входе в оптическую систему, который ограничивается апертурной диафрагмой и достигает изображения. В телескопах этот диаметр обычно равен диаметру первого по ходу света оптического элемента (линзы или зеркала). В фотообъективах (особенно широкоугольных) размер первой линзы, как правило, намного больше входной апертуры и её размер уже следует рассчитывать. Входная апертура объектива равна произведению его фокусного расстояния на относительное отверстие или частному от фокусного расстояния на диафрагменное число. Если объект наблюдения близкий (как у лупы, объектива микроскопа или проектора), то апертуру измеряют в угловом виде — как угол светового пучка, исходящего из точек предмета наблюдения и попадающего в оптическую систему.
Выходная апертура — характеристика способности оптической системы собирать свет на изображении. Если изображение удалённое (как у телескопа, лупы или проектора), то апертуру измеряют в линейном виде — это диаметр светового пучка на выходе из оптической системы, в зоне так называемого выходного зрачка. Если изображение близкое (как у фотообъектива), то апертура характеризуется углом сходимости световых пучков.
Апертурный угол — угол между крайним лучом конического светового пучка на входе (выходе из) оптической системы и её оптической осью.
Угловая апертура — угол между крайними лучами конического светового пучка на входе (выходе из) оптической системы.
Апертура объектива — диаметр D светового пучка на входе в объектив и целиком проходящего через его апертурную диафрагму. Эта величина также определяет дифракционный предел разрешения объектива. Для оценки разрешающей способности в угловых секундах используется формула 140/D, где D — апертура объектива в миллиметрах.
Разрешение оптического микроскопа R зависит от апертурного угла α:
где α — апертурный угол объектива, который зависит от выходного размера линзы объектива и фокусного расстояния до образца. n — показатель преломления оптической среды, в которой находится линза. λ — длина волны света, освещающего объект или испускаемого им (для флюоресцентной микроскопии). Значение n sin α также именуется числовая апертура.
Для других типов микроскопов разрешение определяется иными параметрами. Так, для растрового электронного микроскопа разрешение определяется диаметром пучка электронов и/или диаметром области взаимодействия электронов с веществом образца.
Точечные источники, разделенные углом, меньшим углового разрешения прибора, не могут быть разрешены. У одиночного оптического телескопа угловое разрешение составляет менее одной угловой секунды, но астрономическая видимость и другие атмосферные эффекты затрудняют достижение инструментального разрешения.
Угловое разрешение телескопа R обычно аппроксимируется следующим выражением
где λ — длина волны наблюдаемого излучения, а D — диаметр объектива телескопа. Результирующее R выражается в радианах. Например, в случае жёлтого света с длиной волны 580 нм, для разрешения 0,1 угловой секунды нужен диаметр D = 1,2 м. Источники излучения, превышающие угловое разрешение, называются протяжёнными источниками или диффузными источниками, а источники меньшего размера называются точечными источниками.
Эта формула для света с длиной волны около 562 нм, также называется пределом Дайвса.
Наивысшего углового разрешения можно достичь с помощью массивов телескопов, называемых астрономическими интерферометрами: эти инструменты достигают углового разрешения порядка 0,001 угловой секунды в оптическом диапазоне и гораздо более высокого разрешения в диапазоне длин волн рентгеновского излучения. Для получения изображений с синтезом апертуры требуется большое количество телескопов, расположенных в 2-мерном порядке с точностью размеров лучше, чем доля (0,25x) требуемого разрешения изображения.
Угловое разрешение R решетки интерферометров обычно можно аппроксимировать следующим образом:
где λ — длина волны наблюдаемого излучения, а B — длина максимального физического разделения телескопов в решетке, называемая базовой линией.
Например, чтобы сформировать изображение в жёлтом свете с длиной волны 580 нм, для разрешения 1 миллисекунды, нужны телескопы, расположенные в массиве из 120 м × 120 м с пространственной точностью лучше 145 нм.
Картины дифракции Эйри, создаваемые светом от двух точечных источников, проходящих через круглую апертуру, например зрачок глаза. Можно выделить точки, находящиеся далеко друг от друга (вверху) или отвечающие критерию Рэлея (в центре). Точки ближе, чем критерий Рэлея (внизу), различить сложно.
Разрешение системы формирования изображения ограничено либо аберрацией, либо дифракцией, вызывающей размытие изображения. Эти два явления имеют разное происхождение и не связаны между собой. Аберрацию можно объяснить исходя из геометрической оптики и, в принципе, её устраняют путем повышения оптического качества системы. С другой стороны, дифракция возникает из-за волновой природы света и определяется конечной апертурой оптических элементов. Круглая апертура линзы аналогична двумерной версии эксперимента с одной щелью. Свет, проходящий через линзу, интерферирует сам с собой, создавая кольцевую дифракционную картину, известную как узор Эйри, если волновой фронт проходящего света считается сферическим или плоским на выходе апертуры.
Учитывая дифракцию через круглую апертуру, выражение для предельного углового разрешения записывается в виде
где θ — угловое разрешение (в радианах), λ — длина волны света, а D — диаметр апертуры линзы. Коэффициент 1,22 получен из расчета положения первого темного круглого кольца, окружающего центральный диск Эйри в дифракционной картине. Точнее это число равно 1.21966989. . . ( A245461), первый нуль функции Бесселя первого рода делённый на π.
Угловое разрешение можно преобразовать в пространственное разрешение Δ ℓ путем умножения угла (в радианах) на расстояние до объекта. Для микроскопа это расстояние близко к фокусному расстоянию f объектива. В этом случае критерий Рэлея принимает вид
Фадеев Г. Н. Химия и цвет. 2-е изд., перераб.- М.: Просвещение, 1983.- 160 с., ил.- (Мир знаний).
Апертура (от латинского
Величина, характеризующая действующее отверстие оптической системы. Определяется размерами линз или ограничивающей световой пучок апертурной диафрагмой. Угол а между крайним лучом пучка и оптической осью называется апертурным углом. Различают апертуру угловую и числовую. Апертура объектива, величина, характеризующая действующее отверстие объектива. Может быть выражена через угловую или числовую однако на практике её принято выражать отношением фокусного расстояния объектива к диафрагменному числу. Апертура объектива определяет количество световой энергии, проходящей через объектив, и разрешающую способность объектива.
Апертура – это первый общий термин фотографии, который вы должны выучить. Проще говоря, апертура – это размер отверстия в объективе. Думайте об объективе как об окне – большие окна или широкие углы пропускают больше света, в то время как маленькие окна пропускают меньше света. Широко открытая диафрагма пропускает больше света на изображение для более яркой фотографии, в то время как меньшая диафрагма пропускает меньше света. Апертура измеряется в диафрагмах: маленькое число, такой как f / 1.8, является широким отверстием, большое число, как f / 22, является очень узким. Диафрагма – это одна из трех настроек камеры, которые определяют экспозицию изображения, или насколько он светлый или темный. Диафрагма также влияет на фокусировку изображения – широкие апертуры приводят к размытому фону, в то время как узкие апертуры сохраняют большую резкость изображения или ГРИП (глубина резко изображаемого пространства).
Градуировка шкал диафрагмы производится в диафрагменных числах таким образом, что каждому соседнему делению соответствует изменение светосилы в два раза. Таким образом, при выборе соседнего значения шкалы, экспозиция всегда меняется на одну экспозиционную ступень. Так как светосила является квадратом относительного отверстия, последнее должно изменяться в корень из 2 раз. Поэтому соседние диафрагменные числа отличаются в корень из 2 раз: f/0,7; f/1; f/1,4; f/2; f/2,8; f/4; f/5,6; f/8; f/11; f/16; f/22; f/32; f/45; f/64.
В СССР и России используют понятие диафрагма вместо слова апертура. Сейчас модно говорить “1 стоп”, подразумевается один шаг диафрагмы, т.е. изменение светового потока в 2 раза.
Наука и техника
Угловое разрешение — минимальный угол между объектами, который может различить оптическая система.
Способность оптической системы различать точки изображаемой поверхности, например:
Угловое разрешение: 1′ (одна угловая минута, около 0,02°) соответствует площадке размером 29 см, различимой с расстояния в 1 км
или одной печатной точке текста на расстоянии 1 м.
Зависимость разрешения при фотографировании от свойств оптической системы
При фотографировании с целью получения отпечатка или изображения на мониторе, суммарная разрешающая способность определяется разрешением каждого этапа воспроизведения объекта.
Способы определения разрешающей способности в фотографии
Определение разрешающей способности производится путём фотографирования специального тестового объекта (миры). Для определения разрешающей способности каждого из элементов, принимающих участие в техническом процессе получения изображения, измерения проводят в условиях, когда погрешности от остальных этапов пренебрежимо малы.
Разрешающая сила объектива
Разрешающая способность фотографической плёнки или киноплёнки зависит, главным образом, от её светочувствительности и может составлять для современных плёнок от 50 до 100 лин/мм. Специальные плёнки (Микрат-200, Микрат-400) имеют разрешающую способность, обозначенную числом в названии.
Матрицы цифровых фотоаппаратов
Разрешение матриц зависит от их типа, площади и плотности фоточувствительных элементов на единицу поверхности.
Оно нелинейно зависит от светочувствительности матрицы и от заданного программой уровня шума.
Важно, что современная иностранная трактовка линий миры считает пару черная и белая полоса — за 2 линии, — в отличие от отечественных теории и практики, где каждая линия всегда считается разделенной промежутками контрастного фона толщиной, равной толщине линии.
Некоторые фирмы — производители цифровых фотоаппаратов, в рекламных целях пытаются повернуть матрицу под углом в 45°, достигая определённого формального повышения разрешения при фотографировании простейших горизонтально-вертикальных мир. Но если использовать профессиональную миру, или хотя бы повернуть простую миру под тем же углом, становится очевидным, что повышение разрешения — фиктивное.
Получение конечного изображения
Разрешающая способность современных принтеров измеряется в точках на миллиметр (dpmm) или на дюйм (dpi).
Качество печати струйных принтеров характеризуется:
Для измерения разрешающей способности струйных принтеров, в быту, принята единственная единица измерения — DPI, соответствующая количеству точек-физических капель краски на дюйм отпечатанного изображения. В действительности реальное разрешение струйного принтера (видимое качество печати) зависит от гораздо большего числа факторов:
Лазерные и светодиодные принтеры
Измеряется в точках на единицу длины изображения на поверхности монитора (в dpmm или dpi).
Линейное разрешение — минимальное расстояние между различимыми объектами в микроскопии.
