Как подобрать размер пикселя матрицы для микрофотографии и выбрать оптимальный масштаб съёмки

Аватара пользователя
oldTor
Сообщения: 1775
Зарегистрирован: 08 сен 2015, 13:28
Контактная информация:

Как подобрать размер пикселя матрицы для микрофотографии и выбрать оптимальный масштаб съёмки

Сообщение oldTor » 15 янв 2022, 23:57 #1

Предлагается информация к размышлению и обсуждению:
https://stormoff.ru/mediacenter/articles/article_80/

Я уже выложил на профильном форуме вопрос по этому поводу, так как читал много разного ранее и всё было как-то расплывчато и непонятно, а тут получил развёрнутый комментарий, предлагаю ознакомиться и если есть желание - тоже обсудить статью и таблицу в ней:

GraY25 писал(а):
Odal писал(а):Интересно было бы мнение участников раздела по поводу таблицы снизу страницы по ссылке по поводу "Требования к размерам пикселей для согласования ПЗС-камеры с оптическим разрешением микроскопа":

https://stormoff.ru/mediacenter/articles/article_80/

Отличная кстати статейка.. Весьма рекомендую к прочтению всем заинтересованным.
А насчёт таблицы - какое тут может быть мнение, она полностью корректна.
Можно спокойно ей пользоваться.
Устроена она чрезвычайно просто, сейчас по полочкам разложу.. Можно самому посчитать для любого объектива.

Первая колонка - паспортное значение числовой апертуры объектива А.
Вторая колонка - разрешение, вычисленное по формуле Сигма = Лямбда / 2А. Кстати, из этой формулы можно сразу посчитать какую Лямбду (длину волны), использовали авторы в расчётах = 0.56 микрон, - корректное значение (зелёный цвет / середина видимого спектра).
Третья колонка - Разрешение, умноженное на увеличение объектива. Например если для 10х объектива разрешение реального объекта 1.1 микрон, то с увеличением 10х на матрице они будут спроецированы на расстоянии 11 микрон.
Четвёртая колонка - вычисленная по теореме Котельникова частота семплирования. Она утверждает, что
что при дискретизации аналогового сигнала потерь информации не будет только в том случае, если (спектральная плотность) наивысшая частота полезного сигнала равна половине или меньше частоты дискретизации

Авторы взяли именно граничное значение, 1/2, то есть четвёртая колонка = третьей, делённой на 2.

Цель этой таблицы - подобрать такое минимальное значение пикселя, которое полностью позволяет реализовать разрешающую способность оптики.
Можно конечно брать пиксель меньше, но тогда будет избыточное значение семплирования, масштаб будет выше, но новые детали не появятся, а само изображение будет "замылено" дифракционными эффектами.

Если брать значение пикселя больше табличного, то изображение будет резким, но самые мелкие детали, которые этот объектив мог бы показать, не смогут засемплироваться.

Поэтому, если цель - максимальное качество, не стоит снимать на пиксель, меньше вычисленного.
Если же выбора нет, то придётся сжимать разрешение полученной картинки, чтобы довести её до "попиксельной резкости".

Кстати, я сам не ожидал что такой большой разброс получается, для разных объективов.

Аватара пользователя
oldTor
Сообщения: 1775
Зарегистрирован: 08 сен 2015, 13:28
Контактная информация:

Как подобрать размер пикселя матрицы для микрофотографии и выбрать оптимальный масштаб съёмки

Сообщение oldTor » 11 апр 2022, 16:11 #2

В той же теме продолжено было обсуждение, в т.ч. "на пальцах" и наглядно показано, чем руководствоваться при выборе оптимального масштаба съёмки при тестировании объективов для макро-микро:
http://www.forum.shvedun.ru/viewtopic.p ... 2&start=15

P.S. И это прекрасно согласуется с практикой - если посмотреть специализированные форумы и примеры микрофото, то обнаружим, что хороших с точки зрения профессиональной или просто качественной фотографии, примеров, с объективами крупного и высокого увеличения и разрешения (начиная со стандартных 40х0.65, примерно) - практически нет. Так как средние размеры пикселей в приличных матрицах зеркалок и БЗК позволяют в довольно широком диапазоне масштабов снимать объективами меньшего увеличения и числовой апертуры, но уже не подходят к объективам более сильным. Нужны размеры пикселей бОльшие. А их, похоже, можно найти только в уже "неактуальных сейчас для обычного фото" старых зеркалках. Тогда как современная тенденция к запихиванию максимально доступного количества минимально возможных по размеру пикселей во всё меньшего размера матрицы - идёт по прямо противоположному пути. И если это дальше так пойдёт - скоро и для приличных фото на объективы порядка 10х и 20х придётся искать исключительно б/у матрицы в уже "типа устаревших" моделях камер.
Громкие разговоры, о том, что, дескать, очень маленький пиксель даст "разрешение с запасом" - это всё разговоры в пользу не пойми кого, потому что это "с запасом", в контексте микрофотографии с объективами высоких увеличений и разрешения, на практике обозначает чаще всего либо "мыло мыльное", либо поверх мыла ещё и жуткие артефакты шумов. Собственно, что уже сейчас прекрасно можно наблюдать в потугах некоторых снимать через микроскоп с помощью смартфонов и подобного, в т.ч. с окулярной съёмкой - т.е. способами, способными нивелировать возможности даже весьма продвинутого микроскопа, до уровня убогих юсб-недомикроскопов по результирующему качеству и информативности снимков даже на объективах малого увеличения.
Другое дело, что недостаток выборки/количества пикселей на единицу разрешения, спроецированную на матрицу, тоже вредная история - можно получить очень резкое изображение, но с кучей не разрешённых деталей, либо разрешённых только частично и не по всему объекту. В общем - как и всегда и везде - во всём нужна мера и невозможно сказать для всех случаев жизни, какой же размер пикселя "лучше" - диапазон адекватных соотношений зависит от множества факторов, как объективных, которые можно высчитать, так и субъективных - "красота в глазах смотрящего".

Аватара пользователя
oldTor
Сообщения: 1775
Зарегистрирован: 08 сен 2015, 13:28
Контактная информация:

Как подобрать размер пикселя матрицы для микрофотографии и выбрать оптимальный масштаб съёмки

Сообщение oldTor » 14 мар 2023, 16:15 #3

Перенесу сюда с Ганзы обсуждение, так как там есть полезные ссылки, частично уже здесь "развёрнутые", но есть и новые + позднее я хотел бы развернуть некоторые собственные практические выводы:

"Не стоит ориентироваться на правило "500-1000" апертур в цифровой фотосъёмке. Оно создано и работает для исключительно визуальных наблюдений в оптику.
Приведу простой пример:
берём объектив 20х0.42 - 1000 апертур это 420х
Т.е. для визуальных наблюдений превышение 420-ти кратного общего увеличения микроскопа с таким объективом, по устоявшемуся правилу - не хорошо. Иногда допустимо, но часто просто бессмысленно.

Теперь берём камеру - в моём случае, у неё размер пикселя немного недостаточен для такой апертуры при штатном использовании объектива. Кадр - не идеален, уже получается дифракционное размытие, но оно всё ещё в рамках приемлемого - я могу получить, при очень тщательной настройке освещения, кадр, который в оригинальном размере хоть и не "кристалльно резок", но в рамках. И детали разрешённые объективом, я не теряю ещё пока. Например:
https://www.flickr.com/photos/...57720209754463/ (можно скачать оригинальный размер для оценки, а по клику открывается только превью)

При этом, 10мкм. длины реального объекта при съёмке с этим объективом с использующейся ТЛ, в оригинальном размере на экране моего компа занимают ровно 14мм., т.е. 14.000мкм.

Т.е. увеличение с конкретным компом и монитором выходит 1400х
Т.е. 3333.333333333333 апертур данного объектива)
Что превышает правило для визуального наблюдения глазом в оптику микроскопа во много раз. Но в виде цифровой фотосъёмки - это реальный рабочий масштаб!

Разумеется, ресайз можно сделать, но можно и комфортно просматривать оригинал.
Необходим ресайз, чтобы сделать приемлемым для комфортного наблюдения снимок, со слишком большим дифракционным размытием и/или наличием артефактов разного происхождения.
Я всерьёз задумываюсь о приобретении поэтому, для высокоапертурных объективов, камеры с размером пикселя порядка 6мкм. и более. Так как моих 4мкм. с копейками - явно недостаточно уже. Хотя они идеально подходят для съёмки с объективами до 10х0.28 и с некоторой натяжкой - до 20х0.42.

Т.е. если оригинальный размер снимка "косячный" и требует ресайза (который ещё и не всегда спасает), то дело тут во многих аспектах, но уж точно не в правиле "500-1000 апертур".

Если резюмировать, то получится, что определение "полезное увеличение", которое в визуальном наблюдении в микроскоп определяется правилом диапазона "500-1000 апертур", в цифровой микрофотосъёмке превращается в правило:

"Для достижения полной разрешающей способности микроскопа, размер фотоприемника должен удовлетворять критерию дискретизации Найквиста - от 2,5 до 3 пикселей для каждой единицы диска Эйри."


На профильном ресурсе вот обсуждали тоже:

"...
пошаговый расчёт следует из чистой теории:
1. Находится разрешение Сигма из апертуры А: Сигма = Лямбда / 2A. Лямбда = 0.56 микрон для середины видимого диапазона.
2. Находится размер проекции единицы разрешения на матрицу, R = Сигма * N, где N - увеличение объектива.
3. Находится минимальный размер пиксела для семплирования расстояния R по теореме Котельникова. P = R/2

Если всё это объединить и сократить, получится простейшая формула для нахождения максимального размера пиксела: (при котором ещё не происходит потери информации.)

P = 0.14 * N / A

Где N - увеличение объектива, А - его числовая апертура.

- проверьте по таблице. ...

... Двойка - это "нижняя граница", которую можно "поймать" в лабораторных условиях, удачно расположив пики яркости среди пикселей.
В реальности же, когда они расположены случайным образом, и коэффициент 2.5 - то что нужно.
Да и кстати, в самой этой статье https://stormoff.ru/mediacenter/articles/article_80/ есть фраза:

"Для достижения полной разрешающей способности микроскопа, размер фотоприемника должен удовлетворять критерию дискретизации Найквиста - от 2,5 до 3 пикселей для каждой единицы диска Эйри."

Исходя из коэффициента 2.5, упрощённую формулу для нахождения размера пиксела можно переписать как
P = 0.11 * N / A
Где N - увеличение объектива, А - его числовая апертура.

Это если необходимо гарантированно получить макс. разрешение.

Для фото-работ, где важна "попиксельная резкость" я думаю, можно пользоваться коэффициентом 0.13
P = 0.13 * N / A

Кстати, само число 0.13 тут представляет собой "Лямбда / 4" - что является критерием дифракционно-ограниченной оптики.
Как говориться, "Совпадение? - не думаю.." :D "
(Источник: http://forum.shvedun.ru/viewto...0eaf11&start=15 )


Добавлю, что по результатам изучения зарубежных форумов микроскопистов и микрофотографов, уяснил, что там тоже пришли к результату, что 2 пикселя на диск Эйри - мало:

https://www.photomacrography.n...php?f=8&t=41213

Ещё полезная ссылка по этому вопросу:
https://www.photomacrography.net/forum/ ... f=8&t=2439

В общем, поскольку меня больше всего интересовал не недостаток пикселей на диск Эйри а избыточное их количество при съёмке в больших масштабах и при довольно больших числовых апертурах, я бы сказал, что согласен с автором темы по последней ссылке. "

Аватара пользователя
oldTor
Сообщения: 1775
Зарегистрирован: 08 сен 2015, 13:28
Контактная информация:

Как подобрать размер пикселя матрицы для микрофотографии и выбрать оптимальный масштаб съёмки

Сообщение oldTor » 15 мар 2023, 10:47 #4

Меня беспокоило то, что у меня, вероятно, получается передискретизация при использовании объектива Mitutoyo MPlanApo 20x0.42 при использовании его с расчётным фокусным расстоянием тубусной линзы.
Резкость мне кажется не вообще неоптимальной, а "не всегда оптимальной". Т.е. она получается такой, какая мне нравится, при определённом объекте съёмки и очень тщательном освещении - всё-таки мы не в идеальном мире живём и рассчитывать на то, что нам всегда удаётся идеально подготовить объект и идеально его осветить - не приходится. Если же это не удаётся обеспечить оптимально, в т.ч. потому что объект слишком "трудный" для этого - то происходит то, о чём сказано по этой ссылке:
https://www.photomacrography.net/forum/ ... f=8&t=2439 в первом посте (вообще лучше всю тему прочитать)

В общем, главное, что стоит учесть - это, в общем-то, известный факт: что разрешение и резкость - абсолютно не одно и то же.
Автор темы это формулирует примерно так (прошу прощения за корявый перевод):

"Хорошо, я думаю, что понимаю это достаточно хорошо для научной работы. 4 пикселя на пару строк — это безопасно, 3 — нормально, если я могу принять некоторую неровность, а 2 — это игра в кости.

Кстати, бросать кости не всегда плохо. Если все, что я хочу знать, это есть ли на костях какие-либо тройки, то бросить их несколько раз и подсчитать, что выпадет, — вполне разумная стратегия. Точно так же, если у меня есть достаточно резкая цифровая камера, я могу с уверенностью ожидать увидеть некоторые детали в масштабе 2 пикселя на пару линий, если в объекте есть такие детали. Я просто не могу гарантировать, что увижу все (такие детали)

Но как насчет эстетики? Что нужно, чтобы цифровое изображение воспринималось как «резкое»?

Сейчас мы говорим о субъективном впечатлении, но я хотел бы попытаться понять, что это означает с точки зрения объективности.

Основываясь на самоанализе — всегда опасном,... — я предположу, что цифровое изображение выглядит «резким», когда оно «показывает детали на уровне отдельных пикселей», что, в свою очередь, означает видеть темное/яркое/темное (или яркое/темное/яркое) в соседних пикселях .
..
Цифровое изображение будет содержать темные/яркие/темные узоры в соседних пикселях только в том случае, если (а) оно представляет реальную детализацию на уровне около 2 пикселей на пару строк, или (б) узор не представляет реальных деталей, а вместо этого является некоторым какой-то артефакт из-за шума, чрезмерного USM или чего-то подобного.

Давайте предположим, что (b) не так, поскольку никому не нравятся вещи, которые выглядят как детали, но таковыми не являются. (Хорошо, это не совсем верно. Некоторым людям просто нравятся вещи, которые выглядят как детали, но на самом деле ими не являются, но я хотел бы держаться подальше от фрактального сжатия в этом обсуждении.) Итак, это (а) -- наше цифровое изображение выглядит «резким», потому что он содержит темные/яркие/темные узоры, которые возникают из-за реальной детализации около уровня 2 пикселей на пару строк.

Но мы видели на демонстрациях сетки, что детали на этом уровне захватываются только в том случае, если они расположены выгодно.


"Для того, чтобы наше цифровое изображение «выглядело четким», мы должны снимать или визуализировать его с разрешением, которое практически гарантирует, что некоторые детали оптического изображения будут потеряны. Если вы видите несколько крошечных волосков, едва отделившихся в одном месте на цифровом изображении, можно с уверенностью сказать, что в других местах есть очень похожие крошечные волоски, которые не были разделены только потому, что они по-разному выровнялись с пикселями.

И наоборот, чтобы гарантировать, что все детали оптического изображения будут переданы цифровому изображению, мы должны снимать и визуализировать с разрешением, которое полностью гарантирует, что цифровое изображение не будет выглядеть резким.

Итак, есть «четкий» и есть «детальный» — выберите один или другой, потому что у вас не может быть обоих."


"Тем не менее, я рад, что достиг этого понимания. Я регулярно выполнял упражнения по выбору процента для изменения масштаба некоторого нечеткого изображения с большим увеличением, чтобы оно выглядело максимально четким, не теряя при этом ни одной детали. Почему-то результат так и не получился таким резким, как хотелось бы. Теперь я понимаю (или думаю, что понимаю!), почему это так и почему так должно быть."

Т.е. необходимость гарантированно разрешить все детали изображения, построенного нашей оптической системой и спроецированной на матрицу, если следовать вышесказанному и посмотреть подробности и примеры по ссылке, _неизбежно_ даст нам определённый "недостаток резкости". Тогда как подбор соотношения параметров сенсора с оптической системой, который даст нам "такую резкость, которую по нашим представлениям некуда улучшать и делать ещё резче" - обозначает, что какие-то детали мы всё-таки потеряли. Хотя, второй расклад, безусловно, особенно на сторонний взгляд - часто выглядит привлекательнее с эстетической точки зрения. В общем, вывод таков, что желательно иметь определённую вариативность в настройке своей микрофотосистемы, чтобы исходя из задач конкретной съёмки и особенностей объекта съёмки, иметь возможность выбирать компромисс между наилучшей реализацией разрешающей способности оптики и наиболее привлекательной картинки для визуального восприятия. В целом - меня всегда несколько "настораживало", когда я получал снимок, который, на мой взгляд, делать резче некуда - т.е. любая попытка повысить резкость или даже только контраст - даёт ощущение перешарпа. Теперь мне понятно, что для моих задач это не лучший расклад. Лучше сделать снимок, в котором лучше реализована разрешающая способность оптики, и иметь возможность чуть его подредактировать, не получая эффекта "перешарпа".

P.S. Между прочим, автор темы по приведённой выше ссылке - Rik Littlefield, создатель программы для стэкинга Zerene Stacker, которая в представлении не нуждается - трудно найти фотографа, который бы о ней не слышал. Т.е. человек весьма знающий и разбирающийся в том, что касается цифровой фотосъёмки и в т.ч. макро и микрофотосъёмки.

Аватара пользователя
oldTor
Сообщения: 1775
Зарегистрирован: 08 сен 2015, 13:28
Контактная информация:

Как подобрать размер пикселя матрицы для микрофотографии и выбрать оптимальный масштаб съёмки

Сообщение oldTor » 26 апр 2023, 14:20 #5

Мне потребовалось очень много времени, чтобы во всём разобраться, и мне очень сильно помогли объяснения Рика Литтлфилда.
Окончательный вывод о количестве пикселей на диск Эйри, позволяющем захватить все детали изображения, построенного объективом, звучит как 4,88 пикселя на каждую единицу диска Эйри.
Наиболее подробное и внятное (для меня) объяснение, представлено в этой теме:
https://www.photomacrography.net/forum/ ... g&start=90

Цитата ключевого объяснения:

Изображение

Изображение

Важно:

Хочу отметить, что таблицы соответствия разрешений в интернете на профильных ресурсах - могут вызвать некоторый диссонанс с вышеуказанным, на первый взгляд, если не быть внимательным, потому что там часто не уточняют специально одну небольшую деталь - когда говорят про проекцию единицы разрешения на матрицу, то речь идёт именно о единице разрешения - т.е. о критерии Рэлея. А это - дистанция, равная _радиусу_ диска Эйри. Тогда как многие читатели статей, путают проекцию разрешения на матрицу и проекцию диска Эйри на матрицу. А это разница в два раза - т.е. это разница между радиусом диска Эйри и его диаметром. Т.е. когда пишут о дискретизации Найквиста в количестве 2 пикселя, то речь про 2 пикселя на _радиус_ диска Эйри, а не на диаметр. На диаметр, соответственно, требуется НЕ МЕНЕЕ 4-х.

А если речь идёт о дифракционно ограниченной оптике - т.е. о наиболее высококачественной микроскопной оптике, как максимально приближенной к дифракционно ограниченной теоретически, (а не об аберрационно ограниченной, как в случае с подавляющим большинством фотообъективов) - то, как пишет Рик Литтлфилд:

"...хотя нас могут интересовать только признаки размера Рэлея, оптическое изображение на самом деле содержит информацию с более высоким разрешением, которая может испортить выборку. Фактическая частота среза для изображения с ограничением дифракции соответствует разделению Аббе, что примерно в 1,22 раза меньше, чем разделение Рэлея.
Итак, чтобы правильно применить Найквиста, нам нужно использовать меньший интервал между нашими выборками, около 2,44 выборки на рэлеевское разделение. ..."


Источник:
https://www.photomacrography.net/forum/ ... =8&t=41213

В частности, обращу внимание, что статья, первая, на которую я даю ссылку в этой теме, компилируя множество других в т.ч. зарубежных статей, перетащила к себе и конкретную ошибку - там указано, что:
"Для достижения полной разрешающей способности микроскопа, размер фотоприемника должен удовлетворять критерию дискретизации Найквиста — от 2,5 до 3 пикселей для каждой единицы диска Эйри"

При том, уважаемая фирма Никон, говорит иное - есть статья, откуда, в частности вот сюда: https://stormoff.ru/mediacenter/articles/article_80/ перекочевала таблица соотношений объективов и размеров пикселей:
https://www.microscopyu.com/tutorials/m ... resolution
Так что же говорит Никон?
А вот что: "Адекватное разрешение образца, отображаемого оптическими элементами микроскопа, может быть достигнуто только в том случае, если для каждой разрешаемой единицы изготовлено не менее двух образцов, хотя многие исследователи предпочитают три образца на каждую разрешаемую единицу."

Т.е. если stormoff.ru указывает от 2,5 до 3 пикселей для каждой единицы диска Эйри
То Никон указывает "не менее двух образцов.. на разрешаемую единицу"

А это как раз та разница в два раза, о которой cказано выше. Потому что в первом случае говорится о "единице диска Эйри", а во втором - о единице разрешения, т.е. о _радиусе_ диска Эйри, а не о диаметре.
Так как единицей разрешения являются критерии Аббе и Рэлея, а вовсе не диаметр диска Эйри:
Изображение
(источник: https://docs.yandex.ru/docs/view?tm=168 ... 26nosw%3D1 )

Вот такая вот "ошибка перевода", а точнее "компиляции", потому как в зарубежных источниках, тоже встречается ситуация, когда сначала говорят о единице разрешения, но потом почему-то начинают вместо неё указывать диаметр диска Эйри, что звучит и выглядит так, как будто автор(ы) статьи отождествляют одно с другим, т.е. путают радиус и диаметр. В переводных статьях эта ошибка ещё усугубляется.

Самое забавное в том, что таблица, поскольку она одна и та же, так как явно взята с Никона - демонстрирует соотношения как раз таки отвечающие позиции Никон - где дискретизация Найквиста "не менее 2-х пикселей на _единицу_разрешения_ - указывается для именно единицы разрешения, а не для диаметра диска Эйри. В этом легко убедиться, сравнив хотя бы одну строчку из таблицы - скажем, для объектива
10x (0.25) - у которого разрешающая равна1.1 мкм., при расчётном увеличении, проекция на матрицу этого значения получаем 11 мкм., соответственно, критерий Найквиста в 2 пикселя на единицу разрешения диктует его размер, как 5,5мкм.

Аватара пользователя
oldTor
Сообщения: 1775
Зарегистрирован: 08 сен 2015, 13:28
Контактная информация:

Как подобрать размер пикселя матрицы для микрофотографии и выбрать оптимальный масштаб съёмки

Сообщение oldTor » 26 май 2023, 15:35 #6

Возвращаясь к беспокоившей меня теме о возможном "оверсемплинге" с объективом Митутойо М План Апо 20х0.42 на моей матрице БЗК кроп 1,5 с размером пикселя примерно 4,29мкм. и того, как они сочетаются, в качестве примера с одной стороны и реализации разрешающей способности объектива и при том получении приемлемой резкости в 100% отображения кадра.

Я вот посмотрел детально на свой недавний снимок фаски опасной бритвы с вышеуказанным объективом - по паспорту у него разрешающая 0,7мкм., т.е. при проекции на матрицу с ТЛ F=208.3 (DCR-150 райнокс), установленной на бесконечность - это получается масштаб съёмки 20,83:1, т.е. проекция единицы разрешения объектива на матрицу - это 14.581 мкм. Размер пикселя у меня 4,29мкм. По Найквисту, на единицу разрешения - нужно не менее 2-х пикселей. Т.е. мне нужно минимум пиксель 7,29мкм. У меня же на единицу разрешения получается 3,46 пикселя. Стало быть на _диаметр_ диска Эйри приходится около 6,92 пикселя.
Следуя вышесказанному в теме, я получил вроде бы некоторую теоретически избыточную дискретизацию изображения (для получения наиболее резкого, но не наиболее детального снимка). Зато я получил, теоретически, прекрасную выборку, позволяющую матрице как следует разрешить изображение, построенное объективом и при том мне удалось получить не слишком "мягкий" кадр - т.е. при просмотре в 100% единичный кадр, (слегка кропнутый, программно переведённый в ЧБ и совсем слегка подредактированный - яркость/контраст/резкость) - выглядит (по крайней мере часть снятого объекта, которая в наилучшем фокусе) лично для меня, достаточно резким (по клику, перейдя на фотохостинг, если нажать иконку загрузки, можно открыть в оригинальном размере, т.е. в 100%):
Изображение

Для наглядности 100% кроп и выделил фрагментик в 10мкм., который далее покажу ещё ближе:
Изображение

Теперь попробуем оценить на уровне пикселей, что там происходит - я выделил фрагмент снятой в тех же условиях шкалы объект-микрометра с делением, равным 10мкм., и наложил на него фрагмент кромки выделенный ранее и увеличил всё до 800%:
Изображение

У меня получается, что при том, что кадр в 100% я считаю достаточно резким, мне удалось разрешить детали, содержащиеся в изображении, построенном объективом. Я не вижу, на последней иллюстрации, чтобы у меня на уровне пикселей в массовом количестве, весь контраст убился бы до нечитаемой равномерно-серой каши, чем обычно грозит "оверсемплинг". Т.е. приведённый вариант, я считаю вполне приемлемым компромиссом между реализацией разрешения и резкостью. Вот если бы пиксель у меня был раза в 2 крупнее - то несложно прикинуть, сколько деталей изображения бы "усреднилось" до неразличимых в рисочках, которые в выделенном красном фрагментике. Другое дело, что тогда, возможно, получилось бы сделать изображение более резким - объединив часть пикселей "яркий и тусклее" до однородно-усреднённо яркого, а часть пикселей "тусклый и тёмный" до однородно тёмного - повысить контраст. Но ценой потери некоторых деталей. Что совершенно согласуется с тем, что я ранее цитировал в теме из работ Рика Литтлфилда.
Ну а наоборот - дальнейшее повышение количества пикселей на единицу разрешения, дало бы в свою очередь избыточное "размытие" в градациях серого с потерей контраста на тех деталях, где он достаточно выражен в данном примере. Т.е. уже вредный "оверсемплинг". Т.е. в определённый момент я бы прошёл некую "точку", после которой уже не увидеть больше деталей, а имеющиеся растушёвываются до нечитабельного состояния.

Конечно, не всегда так удачно получается выполнить приемлемый компромисс, как на приведённом примере (который, при том, я не могу считать идеальным, но просто достаточно неплохим). Часто со многими объектами фото выглядит избыточно "мягковатым". Но при этом, со многими объектами, чья шероховатость адекватна ГРИП и разрешению объектива (т.е. сопоставима) и при тщательно настроенном освещении, что является необходимым требованием для того, чтобы объектив реализовал свою разрешающую способность - резкость получается на вполне удовлетворительном уровне. И вполне поддаётся лёгкому повышению резкости при редактуре, без каких-то критически заметных цифровых артефактов. Зато я уверен, что смог разрешить матрицей всё, что присутствует в оптическом изображении.
Другое дело, что когда речь о таких масштабах съёмки и о таком разрешении, не говоря уж о бОльшем, всё сложнее становится настраивать освещение близко к оптимуму, а в микроскопии - "свет - это всё". Т.е. лажа начинается тогда, когда я не могу по каким-то причинам настроить освещение так, чтобы настройка освещения соответствовала апертуре объектива, т.е. когда я так или иначе, за счёт в первую очередь недостатков настройки освещения (в частности и в силу особенностей объекта съёмки или желания осветить и снять его как-то по-особенному) "режу апертуру" объектива. Так как в такой ситуации дифракция сразу начинает "качать права" и уже не получится оставаться "в нише субъективно комфортного компромисса" - количество пикселей на единицу уже нового, ухудшенного разрешения изменится, контраст снизится.

Аватара пользователя
oldTor
Сообщения: 1775
Зарегистрирован: 08 сен 2015, 13:28
Контактная информация:

Как подобрать размер пикселя матрицы для микрофотографии и выбрать оптимальный масштаб съёмки

Сообщение oldTor » 26 май 2023, 22:28 #7

Сделал "самопроверку" вышесказанного, воспользовавшись недавно снятым "шаблоном" 8-го класса шероховатости поверхности в тех же условиях с тем же объективом.
Для полноты картины цитирую пост о съёмке шаблона:

oldTor писал(а):Источник цитаты Обычно, при оптическом контроле заточки, используется довольно примитивное освещение, но его часто бывает достаточно. Имеются в виду варианты "посветить фонариком сбоку" лупы, микроскопа и пр. Т.е. речь о падающем косом освещении. Можно усовершенствовать падающее косое освещение до довольно хорошего, но его принципиальные ограничения никуда не денутся. С ним хорошо оценивать то, что обычно и нужно, но если речь идёт об оценке шероховатости поверхности - то подобное освещение "заканчивается" на оценке _характера_ шероховатости и однородности таковой и это в лучшем случае. Если же говорить о хотя бы примерной прикидке класса шероховатости, то такой метод освещения, само собой, никуда не годится, так как косое освещение утрирует рельеф поверхности.
Из доступных (по сравнению с другими) методов бесконтактной оценки шероховатости, существует сличение полученной с образцами, под микроскопом. Для корректного сравнения обычно используется отражённый свет - т.е. метод освещения, при котором мы наблюдаем, по сути, только тот свет, который отразился от образца. Для этого, в металлографических, петрографических (ну и других, но это не суть в данном случае) микроскопах существует либо встроенный осветитель отражённого света, либо таковым микроскоп можно доукомплектовать.
В общем, всё вышесказанное уже не раз на форуме было сказано, повторяюсь лишь для лучшего понимания примеров, которые приведу ниже.

Обычно мне при контроле заточки достаточно падающего косого освещения или диффузно-рассеянного, чтобы оценивать характер и однородность поверхности. Но иногда возникает желание или необходимость оценить класс шероховатости, хотя бы и с допуском, который иногда может быть великоват, но обычно мне хватает. И для этого я использую именно метод сравнения с образцом с известной шероховатостью. Конечно, есть (и довольно недешёвые, чтобы все их прикупить или хотя бы какую-то часть) готовые образцы, причём поверхностей, полученных разными методами обработки - точением, фрезерованием, шлифованием и пр. Конечно, они отличаются _характером_ обработки, а значит и характером шероховатости, при одном её классе. Поэтому, в качестве образцов для сравнения при оценке результатов своих заточных/доводочных задач, целесообразно брать выполненные именно методами абразивной обработки, близкой по характеру получаемой поверхности тому, что выполняем.

Самым распространённым из таких образцов может служить инструмент, который есть, наверное, у каждого заточника (по крайней мере должен быть, так как это инструмент постоянно нужный и для оценки состояния абразивов, и многих затачиваемых инструментов) - поверочный угольник. Если почитать ГОСТ, то найдём все нужные нам параметры (напр. тут: https://files.stroyinf.ru/Data/250/25062.pdf )

Этот пример я и решил привести - для измерений была взята боковая сторона - сделал выжимку в одну картинку параметров из ГОСТ с указанием допусков шероховатости на измерительные и опорные поверхности, фрагмент таблицы соответствия допусков с классами шероховатости - нужный выделен красным, и строка из ГОСТ с указанием допусков на боковые стороны, одну из которых я и приведу далее:

Изображение

Сделал микрофото боковой поверхности в отражённом свете (через объектив, с осветителем ОИ-17) с объективом Mitutoyo MPlanApo 20x0.42 c разрешающей способностью 0.7мкм. и ГРИП - 1.6мкм. Осветитель не снабжён диафрагмами, а при отражённом свете роль конденсора выполняет сам объектив, так что можно говорить о том, что апертура его не снижалась (фото кликабельны):

Изображение

Конечно, хотя я и пользовался угольником аккуратно, на нём есть посторонние царапинки, но они незначительны по сравнению с его собственной шероховатостью, т.е. для оценки поверхность годится.
В общем, вот он - мой "шаблон" для сравнений, соответствующий 8-му классу шероховатости. В ГРИП, как и должна была, вместилась с некоторым запасом вся шероховатость поверхности и всегда можно немного сориентироваться по отклонениям, пользуясь микрофокусировкой микроскопа со шкалой с известным значением.

При этом, если использовать косое падающее освещение, мы увидим совершенно иную картину - вот тот же самый участок - для имитации того, "как обычно освещают", я светил именно фонариком))
Фокусировка не менялась, при этом видно, как испортилось изображение - оно даже не выглядит достаточно резким и чётким - потому что "просто фонарик" при таких апертурах объектива не может претендовать на то, чтобы называться в принципе пригодным источником света, а свет в микроскопии и его настройка - это "всё". При этом, косое освещение создало (помимо бликов на гребешках рисок, которые дали рассеяние, убивающее чёткость) утрированно выраженный рельеф, и по такому снимку можно лишь в какой-то степени прикинуть характер шероховатости, но невозможно говорить о классе - легко можно предполагать и 6-й, например, если не грубее. Другое дело, что в практике обычной заточки, эта утрированность рельефа помогает увидеть огрехи своей работы довольно выраженно, так что для своих задач такой свет условно годится. Правда, желательно всё-таки делать угол падения света менее острым и использовать хотя бы матовый светофильтр или что-то его заменяющее:

Изображение

Да, поскольку допуск 0,63 мкм. Ra указан для базовой длины 0,8 мм., то я оценивал как минимум по такой её протяжённости (на самом деле даже чуть больше - сколько влезало в кадр - около 1,2 мм. +-), и там всё было в порядке. Снимки же потом были кадрированы для удобства просмотра.
По-моему, очень наглядный получился пример важности разного принципиально освещения для оценки разных характеристик поверхности.


Теперь, пошагово ещё раз считаем сколько пикселей на единицу разрешения у меня пришлось на матрице:
Расчётное фокусное ТЛ для объектива Митутойо М План Апо 20х0.42 это F=200мм. У Райнокса DCR-150, используемого в качестве ТЛ, фокусное F=208.3мм. Райнокс установлен на бесконечность относительно матрицы. Чтобы получить реальный масштаб на матрице, надо фактическое фокусное ТЛ разделить на расчётное - т.е. 208,3/200=1,0415. Т.е. фактическое увеличение у меня получается в 1,0415 раза больше расчётного, стало быть расчётные 20х умножаем на 1,0415 и получаем масштаб проекции на матрицу 20,83:1. Затем считаем размер линейного разрешения объектива на матрице при таком масштабе съёмки, стало быть 0,7мкм. умножаем на 20,83 и получаем 14,581мкм.
Для проверки можно посчитать иначе - например, если бы я знал только фокусное расстояние своего объектива, но не знал бы расчётное фокусное его тубусной линзы. Паспортное фокусное его 10мм. Для получения масштаба проекции при фокусировке с любой ТЛ на бесконечность, фактический масштаб на матрице получается если разделить фокусное расстояние тубусной линзы на фокусное расстояние объектива, т.е. 208,3 фокусное райнокса делим на 10мм. фокусное объектива и получаем тот же масштаб съёмки на матрице 20,83:1. Да, фактическая проверка расчётов путём съёмки объект-микрометра а таких же условиях и пересчитывание масштаба по нему, даёт такой же результат.
Т.е. опять та же цифра для умножения её на значение единицы разрешения 0,7мкм. указанной в каталоге Митутойо для данного объектива, для получения размера проекции единицы разрешения на матрице камеры равного 14,581мкм.

Я попробовал оценить то, получилось ли у меня разрешить спроецированную на матрицу эту единицу разрешения, заявленную для объектива при имеющемся размере пикселей и их количестве на проекцию единицы разрешения в количестве 3,46 пикселя (для простоты округлим до 4-х).
Для этого я оценивал на мониторе первый и второй кадры вышеприведённого обзора в 100% отображении и искал подходящие, не самые яркие пары линий для первого кадра и не самые яркие пары точек для второго кадра. Те, которые при моём зрении (вроде бы нормальном, но не выдающемся) в 100% разрешались, я рассматривал далее в попиксельном просмотре кадров. Даже худший сценарий для второго кадра, далеко не выдающегося по качеству съёмки, показал, в частности, вот такие пару примеров:

Изображение

Конечно, при удачном совпадении проекции на матрицу пар точек либо пар линий с пиксельной сеткой матрицы, возможен контраст получше и повыше чёткость, для разрешения достаточно меньшего количества пикселей. Один такой пример я приведу именно скорее с "парами линий" из первого кадра из обзора выше, где хотя речь о реализации той же разрешающей способности с четырьмя пикселями на единицу разрешения, с удачным попаданием пар линий "обобщённо-светлая"/обобщённо-тёмная на пиксельную сетку так, что на каждую пару линий приходится по 4 пикселя - по 2 на "преимущественно тёмную" и по 2 на "преимущественно светлую". И с пятном-участком, который на этих линиях присутствует не разрешённым:

Изображение

В общем, я считаю, что данная демонстрация достаточно убедительна и подтверждает как реализацию разрешающей способности объектива в данных условиях, так и то, что при 4-х пикселях на проекцию единицы разрешения, можно получать достаточно информативные снимки не напрочь "мыльные", даже при варианте неудачного освещения кадра.

При удачной же съёмке и тщательно настроенном освещении, при том же количестве пикселей на проекцию единицы разрешения, фото получаются и достаточно резкими и чёткими, например:

ИзображениеDetails. Onion.

ИзображениеCrystals of potassium iodide under a microscope


Вернуться в «Оптика и фото»

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и 1 гость