Можно ли преодолеть дифракционный предел с помощью сверхразрешения?

Question

Как видно из названия, можно ли преодолеть дифракционный предел с помощью методов сверхразрешения? Или это абсолютный жесткий предел в оптической фотографии без особых предположений? Если это жесткий предел, какова иллюстрация того, почему это так?

«Без специальных предположений» в данном случае означает методы сверхразрешения микроскопии - структурированный свет, лазерные лучи и т. Д.

Чтобы проиллюстрировать эту мысль: можно ли достичь сверхразрешения за пределами дифракционного предела, взяв несколько экспозиций с несколько разных углов и положений и введя их в [подход СР здесь]? Даже с дополнительным допущением системы с ограниченной дифракцией (камера с высоким разрешением и объектив)?

UPDATE Спасибо за ответ. Однако мне кажется, что вы объяснили мне, что дифракция означает , а не то, что возможно преодолеть дифракционный предел при разумных допущениях. Чтобы уточнить далее: В относительно контролируемой среде, где можно ожидать, что объект будет неподвижным, а дифракция объектива / диафрагмы будет ограничивающим фактором разрешения (в отличие от разрешения датчика), существуют ли методы для увеличить детализацию за пределы этого дифракционного предела без вышеупомянутых «специальных предположений»?

Answer 1

Можно ли преодолеть дифракционный предел с помощью методов сверхразрешения?

В некотором роде, в ограниченной степени. Используя субпиксельное смещение датчика изображения, вы увеличиваете размер каждого пикселя , сохраняя при этом их интервал . Конечно, физически невозможно создать датчики, в которых отдельные пиксели больше, чем их шаг (расстояние между центрами). Но математически это в основном то, что происходит.

Звучит отлично, но как это преодолевает дифракционные пределы?

Как сказал Майкл Кларк в своем ответе, система камер ограничена дифракцией, когда размер воздушного диска (размытие), вызванный дифракцией, становится больше, чем размер пикселей сенсора цифровой камеры.

Размер и характер диска Эйри - это не то, что вы можете преодолеть, это функция волнообразного поведения света, размера апертуры (обычно предполагаемой круглой) и длины волны конкретного рассматриваемого света. ).

Но если вы можете увеличить размер пикселей, сохраняя при этом одинаковое количество пикселей в той же области, вы можете «отодвинуть» дифракционный предел немного дальше. Вот что делает субпиксельное смещение датчика изображения.

Так что это не преодоление дифракционного предела само по себе , это больше похоже на перемещение столбиков немного.

Верхний предел сверхразрешения с субпиксельным сдвигом представляет собой очевидное увеличение разрешения в два раза.

Вы не получите что-то даром. Какой обмен?

Ну, как вы упомянули, для этого требуется неподвижный предмет, это одно из ограничений применимости. Как сказал Джон в своем ответе, вы используете временную достоверность (то есть, в сцене нет движения, поэтому она существует независимо от времени), чтобы сделать несколько снимков (что требует времени, но кого это волнует, у вас есть много это когда объект не движется), который поможет вам увеличить вашу пространственную информацию / знания о сцене.

Answer 2

Вся оптика камеры страдает от двойных демонов помех и дифракции. Они дают паразитные лучи света, которые объединяются с лучами, формирующими изображение Дифракция вызывается, когда световые лучи от изображения видны, просто кистью по краю упора диафрагмы. Некоторые близкие проходы затенены, но не полностью заблокированы. Рикошеты объединяются и ухудшают образ. Помехи возникают из-за волновой природы путей пересечения света и добавления и устранения друг друга.

Хорошо изучил лорд Джон Рейли, астроном Королевской Британии 1842 ~ 1919 Нобелевская премия по физике 1904.

Его расчеты остаются в силе. Мы говорим о разрешающей способности системы линз. Ниже приводится таблица для 589, о центре нашей цветовой гаммы.

Называется критерий Рэлея (насколько мне известно, никогда не превышал)

f / 1 1392 строки на мм

f / 2 696 строк на мм

f / 2,8 487 строк на мм

f / 4 320 строк на мм

f / 5,6 249 строк на мм

f / 8 184 строки на мм

f / 11 127 строк на мм

f / 16 87 строк на мм

f / 22 63 строки на мм

f / 32 44 строки на мм

Answer 3

Несколько методов постобработки, которые увеличивают пределы разрешения системы камеры / объектива, могут использоваться для уменьшения эффектов дифракции. Собрать несколько изображений, взятых из немного разных позиций, как вы предлагаете, - один из способов. Другой инструмент, например Canon Digital Lens Optimizer , в котором используются очень подробные профили объективов.

Дифракция очень похожа на края глубины резкости. Чем больше мы увеличиваем изображение, тем легче его увидеть. Дифракция начинается на апертуре, где только очень большое увеличение покажет какие-либо эффекты вообще. По мере того как апертура закрывается дальше, эффекты начинают ощущаться при более низких и меньших увеличениях.

То, что мы часто называем Дифракционно-ограниченная диафрагма (DLA) для конкретного цифрового датчика - это апертура, при которой эффекты дифракции заметны, когда результирующий файл изображения при увеличении, которое дает 1 пиксель в файле изображения, равному 1 пикселю на мониторе и , эти отдельные пиксели находятся в пределах пределов восприятия зрителя, чтобы различать их. DLA - это точка, в которой эффекты дифракции едва заметны при таком увеличении. Это начинает происходить, когда размер размытия, вызванного дифракцией, становится больше, чем размер пикселей сенсора цифровой камеры.

То, что мы называем дифракционной частотой среза , требует гораздо более узкой настройки диафрагмы, чем DLA для конкретного датчика (или пленки) - размер зерен в различных пленках влияет DLA с пленкой!).

Подробнее о том, как на DLA влияют пределы разрешения носителя записи, см .: Влияет ли размер датчика на предел дифракции объектива?

Answer 4

Да, но вы обмениваете один тип информации на другой - это не нарушает законы физики или теории информации. Вы должны предположить, что объект неподвижен, и вы передаете сигнал в шум для разрешения.

Есть много возможных подходов. Один просто блокирует центр вашей оптической системы и использует только края. Центральный пик этой передаточной функции уже, чем для круглой диафрагмы, поэтому ваше разрешение увеличивается, но вы оба получаете меньше принимаемого сигнала и имеете более широкие крылья в передаточной функции, оба уменьшая сигнал к шуму.