Scopri l'importanza di abbinare le dimensioni del sensore e dei pixel all'MTF dell'obiettivo

In questo articolo esploreremo le curve MTF degli obiettivi a varie frequenze spaziali e determineremo l'obiettivo che meglio si adatta alle dimensioni del sensore e dei pixel della vostra telecamera.

Questo articolo, Comprendere l'uso dell'MTF nella valutazione della qualità degli obiettivi, offre preziose nozioni introduttive sui grafici MTF che potrebbero esservi utili prima di continuare.

Adattare le dimensioni del sensore all'MTF

Scegliere un obiettivo con una copertura adeguata al sensore della telecamera garantisce il mantenimento della qualità dell'immagine su tutto il fotogramma. Ciò significa che l'obiettivo selezionato deve produrre un cerchio immagine di dimensioni sufficienti a coprire il sensore della telecamera.

Caso Studio
Esaminiamo più approfonditamente la scelta di un obiettivo adeguato tenendo conto del cerchio immagine.

Dati due obiettivi: Lens Pyrite 4.0/45 e Lens Pyrite 4.5/90, selezioneremo l'obiettivo più adatto per una fotocamera con sensore da 42 mm. Per semplificare il confronto, supponiamo che l'apertura dell'obiettivo sia fissa a f/5.6.

Confrontando le dimensioni del sensore della fotocamera di 42 mm con i cerchi immagine degli obiettivi, notiamo che:

• L'obiettivo PYRITE 4.0/45 ha un cerchio immagine di 43,2 mm, che consente di utilizzare l'intera area del cerchio immagine.
  

• L'obiettivo PYRITE 4.5/90 ha un cerchio immagine di 90 mm, il che significa che verrà utilizzata solo metà del cerchio immagine. Pertanto, le aree mostrate in nero non vengono utilizzate e vengono applicati solo i valori MTF rimanenti.

Risultati del confronto tra gli obiettivi

Come mostrato nell'illustrazione sopra: senza considerare il cerchio dell'immagine, i grafici MTF sia dell'obiettivo PYRITE 4.0/45 che dell'obiettivo PYRITE 4.5/90 mostrano prestazioni simili.

Tuttavia, quando si considera il cerchio dell'immagine, i valori MTF per una fotocamera con un sensore di 42 mm sono più uniformi con l'obiettivo PYRITE 4.5/90 rispetto all'obiettivo PYRITE 4.0/45, rendendo quindi l'obiettivo PYRITE 4.5/90 il migliore in questo caso.

Relazione tra il cerchio immagine di un obiettivo e la sua risoluzione

In questa sezione, esploreremo come si verificano le differenze nella qualità dell'immagine e analizzeremo la relazione tra il cerchio immagine dell'obiettivo e la sua risoluzione.

Le due foto sottostanti sono state scattate alla stessa scena utilizzando obiettivi diversi, entrambi con una lunghezza focale di 50 mm e lo stesso numero f. Entrambi gli obiettivi hanno lo stesso cerchio immagine, che si adatta bene alle dimensioni del sensore della fotocamera.

Tuttavia, c'è una notevole differenza nella qualità dell'immagine tra le due foto. Scopriamo cosa causa questa differenza.

Per comprendere la relazione tra la risoluzione di un obiettivo e la qualità dell'immagine risultante, consideriamo le seguenti tre immagini simulate di un orsacchiotto. Queste immagini sono state catturate utilizzando lo stesso sensore della fotocamera (con obiettivi con cerchi immagine corrispondenti), ma con risoluzioni diverse. Mentre la dimensione del sensore rimane la stessa, all'aumentare della risoluzione, la dimensione dei pixel diventa più piccola. Questa differenza nella dimensione dei pixel può influire sulla qualità complessiva dell'immagine e sul livello di dettaglio ottenibile.

È possibile notare che quando il sensore della fotocamera ha una risoluzione inferiore (ovvero pixel del sensore più grandi) non vi è una differenza significativa nelle immagini prodotte dai due obiettivi. Tuttavia, con la diminuzione delle dimensioni dei pixel, le differenze nella qualità dell'immagine risultante diventano più evidenti. In definitiva, la qualità finale dell'immagine dei due obiettivi è influenzata dalla diminuzione delle dimensioni dei pixel, mostrando la differenza nelle loro caratteristiche prestazionali.

Questo è il motivo per cui le telecamere a bassa risoluzione con pixel del sensore più grandi, come quelle presenti nelle telecamere più vecchie, non mostrano una differenza significativa nella qualità dell'immagine tra un obiettivo ad alta risoluzione e uno a bassa risoluzione. Tuttavia, con l'aumentare della risoluzione della fotocamera e la dimensione dei pixel del sensore che diventa inferiore a quella dei dischi di Airy, l'obiettivo con il disco di Airy più grande produrrà un'immagine sfocata nell'immagine finale.

Adattamento delle dimensioni dei pixel alla MTF

L'adattamento delle dimensioni dei pixel del sensore di una fotocamera alla funzione di trasferimento di modulazione (MTF) di un obiettivo è un fattore importante da considerare nell'imaging digitale. L'obiettivo è ottimizzare le prestazioni del sistema assicurando che l'obiettivo e il sensore funzionino bene insieme per catturare il massimo livello di dettaglio. Per ottenere le migliori prestazioni del sistema, è molto importante che sia l'obiettivo che la fotocamera abbiano una risoluzione simile.

Utilizziamo l'MTF per calcolare la dimensione dei pixel appropriata:

MTF = (lp/mm) = 1000/(2×dimensione dei pixel (µm)) oppure Dimensione dei pixel (µm) = 1000/(2×(lp/mm))

Se l'MTF è 50 lp/mm con un contrasto del 30%, significa che ci sono 50 coppie di linee in 1 mm;

Dimensione pixel (µm) = 1000/(2×(50) )=10 µm

Se l'MTF è 100 lp/mm con un contrasto del 30%, significa che ci sono 100 coppie di linee in 1 mm;

Dimensione pixel (µm) = 1000/(2×(100) )=5 µm

Se un obiettivo ha una prestazione MTF di 50 lp/mm, può essere abbinato a una dimensione pixel di 10 µm. Se invece un obiettivo ha una prestazione MTF di 100 lp/mm, è adatto a una fotocamera con dimensione pixel di 5 µm.

Una risoluzione ideale significa che i confini tra le linee bianche e nere sono perfettamente nitidi. Naturalmente, la teoria differisce sempre dalla realtà, e quindi nella realtà questi confini si confondono in toni di grigio che vanno dal bianco al nero. Più bassa è la risoluzione dell'obiettivo, meno nitida è la transizione. E meno nitida è la transizione, minore è il “contrasto”.

Quando si esamina la risoluzione, che sia misurata in megapixel, coppie di linee per millimetro o metri, è importante considerare anche il contrasto. I produttori specificano in genere un contrasto del 30%, che rappresenta un buon equilibrio per la nitidezza dell'immagine. Ciò significa che un valore MTF (Modulation Transfer Function) con contrasto del 30% è considerato un buon standard per valutare la nitidezza.

MTF pratico (lp/mm) = 1/(2 x dimensione pixel x 0,7)

Caso di studio:

Esaminiamo più approfonditamente la questione valutando l'idoneità di un obiettivo per una fotocamera con una determinata dimensione dei pixel.

Considerando una fotocamera con una dimensione dei pixel di 7 µm, quanto sarà adatto l'obiettivo Pyrite 4,5/90?

Se l'MTF è 40 lp/mm con un contrasto del 68%, significa che ci sono 40 coppie di linee in 1 mm;

Dimensione dei pixel (μm) = 1000/ 2 x 40 x 0,7 = 8,75 μm

Se l'MTF è 80 lp/mm con un contrasto del 44%, significa che ci sono 80 coppie di linee in 1 mm;

Dimensione pixel (μm) = 1000 / 2 x 80 x 0,7 = 4,375 μm

Sulla base di questa valutazione con la curva MTF, se l'applicazione richiedesse 40 lp/mm con un contrasto del 60%, l'obiettivo Lens Pyrite 4,5/90 soddisferebbe il requisito.

Tuttavia, se l'applicazione richiedesse 80 lp/mm con un contrasto superiore al 50%, l'obiettivo Lens Pyrite 4.5/90 non sarebbe adatto. La scelta di questo obiettivo influirebbe sulla qualità complessiva dell'immagine, catturando un livello di dettaglio inferiore.

Conclusioni

Comprendere le caratteristiche della funzione di trasferimento di modulazione (MTF) di un obiettivo insieme alle dimensioni del sensore della telecamera e alle proprietà dei pixel è fondamentale per ottenere una qualità dell'immagine ottimale. Abbinare le curve MTF di un obiettivo alle dimensioni del sensore e dei pixel della fotocamera aiuta a garantire la compatibilità e a massimizzare la nitidezza dell'immagine.

Quando si seleziona un obiettivo, è importante considerare la copertura del cerchio immagine per garantire che l'intera area del sensore venga utilizzata per fornire una qualità dell'immagine uniforme su tutto il fotogramma. Un obiettivo che produce un cerchio immagine che copre l'intero sensore della telecamera è l'ideale.

Quando si confrontano gli obiettivi basandosi solo sui grafici MTF, è importante ricordare che gli obiettivi possono sembrare simili in termini di prestazioni, ma è importante selezionare quello con il cerchio immagine che meglio si adatta alle dimensioni del sensore della telecamera. In genere, questo fornirà una qualità dell'immagine migliore.
La relazione tra la risoluzione dell'obiettivo e il cerchio immagine influisce sulla qualità dell'immagine. Man mano che la dimensione dei pixel diminuisce, le differenze nella risoluzione dell'obiettivo diventano più evidenti. Ciò influisce sul livello di dettaglio catturato nell'immagine finale.

Abbinare la dimensione dei pixel del sensore all'MTF dell'obiettivo è importante per ottimizzare le prestazioni del sistema. Calcolare la dimensione dei pixel appropriata in base alle prestazioni MTF dell'obiettivo per garantire la migliore qualità dell'immagine.

In conclusione, comprendere la relazione tra l'MTF di un obiettivo e le dimensioni del sensore e le proprietà dei pixel di una telecamera è essenziale per selezionare l'obiettivo giusto per il proprio sistema fotografico e ottenere la migliore qualità dell'immagine possibile.