镜头分辨率与sensor像素匹配问题求解惑？

sfy

在网上看到一篇关于手机像素的文章，说到“两个或多个像素来表现一个艾里斑并不能提高分辨率”，我不太理解这句话，

按照Niquist定律，两个像素表现一个艾里斑不正好是镜头与sensor的最佳匹配状态吗？
为什么这篇文章说并不能提高分辨率？

赛车手

这个不是上面都说了吗，单个像素大小已经小于艾里斑了，已经超越了理论分辨极限，其实后面那句话就是对前面的解释，意思就是这种情况下，用再多的像素小格格去分辨，已经没有意义了。是个像素分辨一个艾里斑，和五个像素分辨一个艾里斑，你想想，如果做成100个分辨一个艾里斑，是不是就是图中说的那句话。其实最好的状态就是镜头的艾里斑和像素大小匹配，在很早的时候，像素值做不大，但是艾里斑比像素小，因此不断的提高像素的数量，同时做小像素，这样分辨率就会升高，这也是追求两者的匹配，但是现在像素已经远远小于艾里斑了，比如2um，这个已经很小了，再做小，那就需要镜头的弥散斑再上一个台阶，因为一直以来，镜头的解像力基本是和探测器协同进步的。
因此再去通过做小像素提高分辨率，就没意义了，因此不断地缩小艾里斑，缩小弥散斑，同时做小像素值，才能提高像素，就是让探测器充分发挥他的效用。应该就是这个意思吧。

sfy

赛车手 发表于 2021-11-23 17:24
这个不是上面都说了吗，单个像素大小已经小于艾里斑了，已经超越了理论分辨极限，其实后面那句话就是对前面 ...

但是，按照Niquist定律，两个像素表现一个艾里斑不应该是正好匹配吗？既不浪费镜头本身的分辨率，也不浪费sensor的分辨率

赛车手

sfy 发表于 2021-11-23 17:33
但是，按照Niquist定律，两个像素表现一个艾里斑不应该是正好匹配吗？既不浪费镜头本身的分辨率，也不浪 ...

你看你发的图中的话，一个或多个并不能提高，你的这句话是不是又把图片中的话重复了一遍。在这感觉没必要纠结，一般把镜头解像力一定要高于探测器，这样能够完全发挥探测器的效能，如果项目没啥要求，那就匹配或者将就，怎么样都行。

CaoAD

物方NA决定了你镜头能分辨物体能力的上限，当你物方都分辨不出来的时候，像方衍射光斑做的再小也是不清楚的

sfy

又看了些资料，算是搞清楚了艾里斑、线对、像素大小的关系，镜头和sensor完美的匹配状态是：一个艾里斑的直径=一个线对的间距（条纹周期）=2倍的像素大小，成像系统的极限分辨率是艾里斑的半径1.22λF，即sensor像素的有效极限大小是艾里斑的半径。如果像素小于艾里斑的半径，即小于成像系统的极限分辨率，那么再多的像素是无意义的。所以还是回到我的问题，镜头和sensor的最佳匹配状态就是两个像素表现一个艾里斑。
但是现在的照相系统都是将sensor的性能发挥到极限，镜头的分辨率一般都大于sensor的分辨率，相当于整个系统的分辨率受限于sensor，浪费了镜头的分辨率。

opticwc

1.4u像元对应F≈2。
对于1.4u以下的像元，光圈要做到2也不简单了。
手机摄像头受体积限制，F做到1.8已结是顶配了，反而是像元可以做到0.7u（对应F≈1），光圈难做小。

sfy

opticwc 发表于 2021-11-24 21:20
1.4u像元对应F≈2。
对于1.4u以下的像元，光圈要做到2也不简单了。
手机摄像头受体积限制，F做到1.8已结 ...

是的，1.4um的像素大约对应F=2的镜头，也就是衍射极限为1.4um半径的艾里斑，这里的1.4um是艾里斑的半径，网上很多文章把艾里斑的半径和直径混谈，我主楼发的那篇文章里的1.4um应该也是指的一个艾里斑的半径

Issac

sfy 发表于 2021-11-24 16:35
又看了些资料，算是搞清楚了艾里斑、线对、像素大小的关系，镜头和sensor完美的匹配状态是：一个艾里斑的直 ...

请问题主，有一个简单问题百思不得其解，一个艾里斑其实就是一个物点（即一个信息），为什么对应一个黑白线对而不是一个白线或黑线呢？一个线对按我理解不是两个信息吗？万望解惑。。。

sfy

Issac 发表于 2021-11-25 14:12
请问题主，有一个简单问题百思不得其解，一个艾里斑其实就是一个物点（即一个信息），为什么对应一个黑白 ...

艾里斑是镜头本身的极限分辨率，可以当成镜头可分辨的最小单元（它表征了镜头本身的成像质量，像差+衍射效果，都体现在一个艾里斑里）；而一个黑白线对是评价镜头分辨率的最小单元。所以艾里斑对应的是一个黑白线对，为什么必须是一黑一白两个呢？黑白条纹是常用的测试镜头解像力的被拍对象，“解像力”就是镜头成像的清晰程度，包含“分辨率”和“锐度”两个要素。要体现“锐度”，必须有一个黑白对比度，所以至少有一对黑白条纹，两个条纹有清晰的边界才能体现锐度；“分辨率”即单位长度包含的黑白条纹数目，就是常说的空间频率。

简单来说，“黑白条纹”就是用来测试表征镜头成像质量（艾里斑）的外在工具，如果只有一个白条纹或者一个黑条纹，相当于整个画面就一个灰度值，边界变化都没有，根本没办法判断成像质量好坏，至少一对黑白条纹才能体现出艾里斑所包含的镜头成像质量信息（像差、衍射）。