Оптика: объективы фотоаппаратов и tv-камер, подскажите причину разной "разрешающей способности" Опции

[Serj78]

Интереса ради, сфотографировав лист с мирой, выяснил, что мой 10-ти мегапиксельный фотоаппарат на практике на черно-белом изображении дает в 4 раза меньше (2.5 мегапикселя).
То есть практическое разрешение по горизонтали в 2 раза меньше заявленного.
Почитал фото-форумы, по информации из них основные потери - в объективе.

Объясняется это в основном так:
есть некое "пятно рассеяния", то есть минимальная по размеру точка которая может быть сфокусирована в плоскости матрицы.

Или еще параметр- "разрешающая способность объектива"- сколь пар черно-белых полосок (максимальная контрастность) может быть спроецировано на 1 мм длины стороны матрицы.

Это зависит от "качества объектива".


А вот чем определяется это качество? точностью полировки линз- правильным выдерживанием кривизны поверхности?
Или шероховатостью этой поверхности?
Можно это объяснить на основе хода лучей через линзу(разный путь лучей?) ?

И еще: из наблюдений, чем больше объектив, тем он "качественнее".

[EUrry]

Не знал, что эти "полоски" так называются. А какая камера? Размер матрицы? Я как-то раньше не задумывался, что у оптики ведь тоже разрешающая способность есть. Думал, что увеличение мегапикселей только к бОльшим шумам приводит, а тут ведь еще и до шумов проблемы. Будет чем еще манагеров посылать, поющих про мегапиксели!!! Вот куда в Sony Ericsson Satio камера на 12 мпикс? ИМХО, в телефоне 1 мпикс выше крыши, для фотканья объявлений. Я представляю, какие ужасные фотки будут на этой камере, а бабла за эти пиксели не меньше трети от стоимости содрали. Я вот смотрю, Canon в своей G11 уменьшили пиксели до 10, в сравнении с G9 (12) и G10 (14,7) при неизменном размере матрицы. Я, когда увидел G10 год назад, сильно разочаровался в Canon, но, видимо, т. к. это далеко не бюджетная мыльница, то полные ламеры ее, наверное, не покупали (если только для понта), а тот, кто хоть чуть в теме, выбирали более дешевую G9 и что-то подобное. Вот в G11 только всё-равно не пойму, за что такие бабки спрашивают, в сравнении с G9. Светочувствительность выше, но вряд ли она такая часто нужна, т. к. только шуметь сильно начинает (возможно из-за этого и уменьшили разрешение), вспышка на 7 м, против 4 м - тоже не особый аргумент, система автофокуса другая какая-то - не изучал, но на автофокус G9 не жалуюсь, зум меньше на единицу. Короче, не понимаю.

[ReAl]

Я как-то раньше не задумывался, что у оптики ведь тоже разрешающая способность есть. Думал, что увеличение мегапикселей только к бОльшим шумам приводит, а тут ведь еще и до шумов проблемы.

Именно так.
Как уже сказано выше, дифракционный предел по Рэлею считается как sin(theta)=1,22lambda/D где theta - угол между пучками, lambda - длина волны, D-диаметр входного зрачка объектива.
Пусть f -фокусное расстояние объектива, тогда в центре можно считать, что разрешаемое расстояние d = f*sin(theta) (для малых углов считаем гипотенузу равной длинному катету, или, что то же самое, синус равный тангенсу и равный углу в радианах)
Итого d = f * 1.22 * lambda / D = 1.22 * lambda * F, где F - диафрагменное число.
Итого для 0,55микрона (зелёный) при диафрагме 4 имеем 1.22 * 0.55 * 4 = 2.7микрона, а у нынешних перенапиханых пикселами матриц гиперзумов пиксел 1,8-2мкм

А 2,7 микрона пиксел - это времена Nikon CP8800, Olympus C8080, Canon PS A610, Canon PS Pro-1. А у древнего Olympus C2100 было 3,9мкм (ну конечно, 2МП на сенсоре 1/2" - видел с него кадры, очень и очень прилично).
Для справки
8.2мкм Canon EOS-5D, Canon EOS-1D markII/markII-N
7.8мкм Nikon D50, D70; Pentax *istD/DL/DS/DS2
7.4мкм Canon EOS-300D
6.4мкм Canon EOS-350D, EOS-20D, EOS-20Da
5.9мкм Nikon D200, D80; SONY DSLR-A100, SONY DSC-R1
5.7мкм Canon EOS-400D
5.5мкм Nikon D2x
5.3мкм Olympus E300, E500
Давно не заглядывал что там делается, сейчас глянул - G9 - 1.89мкм, G10 - 1.71мкм, G11 - 2.08мкм.

Шаг пикселов для зелёного при этом в два раза больше, т.е. для пиксела 1,8-2мкм выходит как бы 2,7 таки меньше, чем 3,6-4мкм, но ведь по Рэлею это предел разрешения, там контраст падает в пять раз.

Если теперь добавить то, что у мелкого пиксела больше "пиксельные" шумы, т.е. они раньше начинают маскировать малоконтрастные объекты, то выходит, что при одинаковом размере сенсора реальное разрешение 10 и 12 мегапикселов практически не различается даже на полностью открытой дырке (минимальном дифракционном кружке). Ну и объективы не все дотягивают до дифракционного предела даже по центру, не говоря уже о сторонах или углах кадра.

Вот куда в Sony Ericsson Satio камера на 12 мпикс?

а-а-а-а!!!!
Это усё. Там же пикесл небось 1,3мкм или что-то в этом духе. Да тут я уже и не знаю, как часто "красные" носители заряда (т.е. полученные от 0,7мкм кванта, прошедшего красный светофильтр) будут оказываться в соседних "синих" да "зелёных" пикселах. Толи за счёт туннелирования (у мелкого пиксела он весь становится "краевой зоной" при барьерах между пикселами), толи при косых лучах.
Вы не задумывались, почему раньше на компактах диафрагма 2,0 ещё встречалась, а сейчас уже не очень-то?
Мне кажется, что кроме цены есть ещё фактор - в комбинации с микролинзами, повышающими эффективность сбора света, косые лучи от широко раскрытой дырки ещё более "закашиваются" и, особенно для глубже проникающего красного, фотоны прекрасно уходят за стоп-каналы под соседние пикселы и порождают носители там. И чем больше открыта дырка, тем этот эффект сильнее, особенно для пиксела, размер которого меньше средней глубины проникновения фотонов.

[Serj78]

Именно так.
Как уже сказано выше, дифракционный предел по Рэлею считается как sin(theta)=1,22lambda/D где theta - угол между пучками, lambda - длина волны, D-диаметр входного зрачка объектива.
Пусть f -фокусное расстояние объектива, тогда в центре можно считать, что разрешаемое расстояние d = f*sin(theta) (для малых углов считаем гипотенузу равной длинному катету, или, что то же самое, синус равный тангенсу и равный углу в радианах)
Итого d = f * 1.22 * lambda / D = 1.22 * lambda * F, где F - диафрагменное число.
Итого для 0,55микрона (зелёный) при диафрагме 4 имеем 1.22 * 0.55 * 4 = 2.7микрона, а у нынешних перенапиханых пикселами матриц гиперзумов пиксел 1,8-2мкм

А 2,7 микрона пиксел - это времена Nikon CP8800, Olympus C8080, Canon PS A610, Canon PS Pro-1. А у древнего Olympus C2100 было 3,9мкм (ну конечно, 2МП на сенсоре 1/2" - видел с него кадры, очень и очень прилично).
Для справки
8.2мкм Canon EOS-5D, Canon EOS-1D markII/markII-N

Давно не заглядывал что там делается, сейчас глянул - G9 - 1.89мкм, G10 - 1.71мкм, G11 - 2.08мкм.

Шаг пикселов для зелёного при этом в два раза больше, т.е. для пиксела 1,8-2мкм выходит как бы 2,7 таки меньше, чем 3,6-4мкм, но ведь по Рэлею это предел разрешения, там контраст падает в пять раз.

Дифракционый предел возникает, как я понимаю из-за волновых свойств света ( огибание волной препятствия).
А ведь разрешающая способность объектива на практике намного ниже его.
Более того, два разных объектива с одинаковыми фокусными расстояниями и светосилой могут иметь разную разрешающую способность.
Какими параметрами линз и объектива в целом обеспечивается разрешающая способность?

[AntonS]

Дифракционый предел возникает, как я понимаю из-за волновых свойств света ( огибание волной препятствия).
А ведь разрешающая способность объектива на практике намного ниже его.
Более того, два разных объектива с одинаковыми фокусными расстояниями и светосилой могут иметь разную разрешающую способность.
Какими параметрами линз и объектива в целом обеспечивается разрешающая способность?

Совершенно верно. Изготовить объектив с дифракционным качеством изображения - задача весьма сложная. И дело не только в точности изготовления. Разрешающая способность характеризуется функцией передачи модуляции, она же оптическая передаточная функция, она же modulation transfer function (MTF). Характеризует зависимость контраста изображения от пространственной частоты.
Как это характеризует разрешающую способность? Да очень просто! Вы видели, что если сфотографировать миру, то чем выше частота линий (они ближе друг к другу), тем сложнее различить переход между черной и белой линией (падает контраст изображения). Выше определённой частоты линии становятся вообще неразличимыми (контраст упал до очень маленькой величины).
Даже объектив, изготовленный с нулевыми отклонениями, совсем необязательно будеть иметь идеальную (дифракционно ограниченную) функцию передачи модуляции. На неё оказывают влияние аберрации, которые в свою очередь зависят от оптической схемы объектива (положения оптических элементов, материала, радиуса кривизны линз). Для объективов с фиксированным фокусным расстоянием задача оптимизации решается значительно проще, чем для "зумов". Отсюда высокая цена последних и разное качество изображения на разном фокусном расстоянии. Но и высококачественные "фиксы" сделать очень сложно. В ход идут ухищрения в виде специальных оптических материалов, асферических линз и т.д. Так что стоят они тоже недешево.
Вид MTF и качество изображения зависят от величины диафргагмы. Наиболее сложно сделать светосильный высококачественный объектив. С прикрытием диафрагмы, качество улучшается, пока не достигнет дифракционного предела. При дальнейшем прикрытии качество уже начинает ухудшаться.
Серъезные фирмы приводят графики MTF для своих объективов (как мы уже привыкли, часто для разных условий измерения ). Вот пример для недешевого объектива, стоимостью более тысячи американских президентов http://www.usa.canon.com/consumer/controll...p;modelid=11924
И у него функция передачи модуляции ограничивается не только дифракцией.