Известно, что одним из путей повышения разрешающей способности оптики служит использование монохроматического освещения с длиной волны короче оптимально воспринимаемой глазом (и цифровыми камерами), т.е. меньше 550 нанометров. Однако, существуют определённые ограничения при съёмке, продиктованные как диапазоном волн видимого спектра (380-700 нанометров), так и массивами цветных фильтров на матрицах фотокамер.
Об этом подробнее ниже:
Попробовал съёмку в монохроматическом свете с длиной волны 450 нанометров. Конечно, максимальную отдачу от подобного освещения можно получить либо снимая на монохроматическую камеру, не имеющую фильтра Байера (или, в случае с большинством камер фуджи - X-Trans), либо используя функцию сдвига пикселей на цветных камерах, которые такой функцией обладают.
И надо сказать, что при съёмке на камеры, которыми я пользовался раньше, обычные цветные БЗК, действительно, при съёмке в монохроматическом свете с такой длиной волны, становилось заметно, что матрица теряет разрешение, тогда как оптическая часть его получает более высокое. Как известно, массив цветных фильтров имеет по 25% для синего и красного и 50% для зелёного.
И, конечно, если просто использовать _широкополосные_ фильтры, обрезающие часть спектра источника света - например, синий светофильтр (т.н. фильтр дневного света, матовый), идущий в комплекте к микроскопам и служащий для повышения цветовой температуры ламп осветителей, или даже зелёный светофильтр, использующийся в комплектах фазового контраста, то катастрофических потерь при съёмке на цветные камеры не происходит - что-то ещё получают ячейки для других цветовых каналов. Не говоря уже о том, что куча камер для микроскопии, обладают очень мелким пикселем и проблема избыточной дискретизации при съёмке в обычном свете у них стоит во весь рост, но как раз при работе с фильтрами, это играет нам "на руку", впрочем об этом подробнее скажу ниже.
Другая совсем история с _узкополосными_ фильтрами, выделяющими конкретную длину волны - тогда мы получаем потери в разрешении на цветной камере (которая и так имеет разрешение несколько ниже монохромной в силу всё того же массива цветных фильтров на матрице) куда более сильные, и, особенно в случае с уже старенькими камерами ещё поколения матриц до появления технологии "обратной засветки" (Backside illumination (BSI), где это проявляется ещё сильнее, потери разрешения матрицы могут быть лишь частично восстановлены силами процессора камеры, осуществляющего интерполяцию из соседних пикселей. При этом, как правило, соотношение сигнал/шум ухудшается довольно сильно.
Если нет возможности использовать монохромную камеру, то в таких случаях на помощь может прийти две вещи: технология и "ситуация"))
Что имеется в виду:
1. Нечто среднее между "технологией и ситуацией" и самый "слабый" вариант по результату: высококлассный процессор современной камеры, который в _некоторых_ случаях будет ситуацию "спасать" до совершенно приемлемой, особенно при съёмке практически "монохромных" объектов, и если при дискретизации/семплинге проекции единицы разрешения оптики на матрицу, даже с учётом более короткой длины волны мы будем иметь значение выше минимально требуемого (даже при расчёте для всех пикселей, а не для половины или четверти, в зависимости от применённой длины волны в зелёной или синей части спектра соответственно). Практический пример, приведённый ниже это подтверждает.
2. Собственно "технология" - функция сдвига пикселей в камере, которая и при съёмке в цвете и при съёмке с монохроматическим источником света, сможет полностью реализовать разрешающую способность матрицы. Примеров и статей на эту тему в интернете хватает, это факт. И этот вариант самый "сильный".
3. "Ситуация" - если речь идёт о съёмке, при которой у нас происходит сильная избыточная дискретизация, т.е. на проекцию единицы разрешения на матрицу у нас приходится количество пикселей, превышающее разумное, при котором соотношение "разрешение/резкость" ещё такие, что все детали разрешены, но изображение ещё не стало чрезмерно "мягким" (подробнее см. тему:
https://www.myabrasive.ru/forum/viewtop ... f=36&t=584 ), и намного, что обычно получается при микрофотосъёмке на высокоапертурные объективы больших увеличений, особенно если пиксель матрицы камеры довольно мал, то если мы вместо обычного освещения в такой ситуации применим монохроматический свет, именно этот "оверсемплинг" поможет нам _компенсировать_ потери разрешения на цветной матрице от использования более коротковолнового света конкретной длины волны. Это вариант вполне рабочий, что неоднократно подтверждалось работами многих микрофотографов, с приведёнными расчётами.
Пока я не попробовал в достаточном объеме второй и третий варианты, чтобы было что опубликовать, но первый попробовал и мне кажется, что получилось вполне наглядно:
С моей новой камерой (Fujifilm X-T5), к слову, имеющей функцию пиксель-шифт (20 кадров), даже съёмка без сдвига пикселей демонстрирует положительный результат, что я связываю с довольно малым размером пикселя (3,04мкм.), который обеспечивает дискретизацию выше минимально необходимой при использовавшихся условиях съёмки, но не избыточную, и качеством матрицы и камеры в целом (и её процессора в частности) - я не наблюдаю обычных артефактов от потери матрицей разрешения при съёмке в таком освещении, а "попиксельное наблюдение" подтверждает расчёты, демонстрируя прирост разрешения оптики, с которым матрица вполне справляется и при работе в обычном режиме.
Для данной пробы я использовал объектив Mitutoyo M Plan Apo 5x0.14 с паспортной разрешающей способностью 2мкм.
Для начала, было интересно понять, к какому методу расчёта это ближе - по критерию Рэлея или по критерию Аббе. Раньше, по крайней мере ещё в 1980-е, в т.ч. фирма Zeiss (как следует из их документации, каталогов и пр., которые доступны в сети) использовала расчёт разрешения микроскопных объективов по критерию Рэлея, т.е. используя коэффициент 0,61 в формуле: 0,61λ/NA. Причём, ранее для значения длины волны лямбда, часто использовалось значение 560 нанометров.
Позднее и ныне, фирмы уровня Nikon и Mitutoyo ( и пр.), числовую апертуру указывают для длины волны 550nm и, когда речь об объективах с высокой степенью коррекции, используют коэффициент "по Аббе" - т.е. формула выглядит 0,5*550/NA. Убедиться в этом легко, так как эти данные фигурируют опять-таки на интернет-ресурсах и в каталогах данных фирм.
Посчитав по формуле именно в этом виде, убеждаемся, что Митутойо заявляют паспортное разрешения для данного объектива именно по ней, округляя 1,96мкм. до 2мкм.
Как известно, повысить разрешение можно в том числе, используя более короткую длину волны. Если пересчитать для этого же объектива M Plan Apo 5x0.14 по той же формуле, но со значением длины волны лямбда 450 нанометров, то получим разрешающую более высокую: 1,57мкм.
В качестве источника света я использовал светодиод 450nm с матовым светофильтром. Конечно, любой диод с даже очень "выделенной" по интенсивности длиной волны, не "предельно монохроматичен", но для конкретного (я покупал уже давно и ориентируясь на отзывы с замерами его спектра, которые были удовлетворительны, правда ссылок не сохранилось, да и сам этот диод уже найти было бы трудно: "страница товара не существует") и на эту длину волны, его "монохроматичность" достаточна.
Конечно, если снимать в расчётном масштабе для этого объектива или близком (у меня он чуть выше расчётного, так как вместо тубусной линзы с F=200мм. я использую макронасадку Raynox DCR-150 c фокусным расстоянием F=208.3 и в результате у меня масштаб cъёмки составляет ~5,28:1), преимущество монохроматического света с короткой длиной волны получается больше в плане резкости снимка, но для примера было интересно проверить. Конечно, такое и куда большее разрешение можно было бы получить просто применив более высокоразрешающий объектив либо с тубусной линзой с меньшим фокусным, чтобы весь объект влез в кадр, либо сделав панораму, но это уже другая история.
Снял же я в качестве примера, найденную в коралловом песке раковину фораминиферы. Учитывая возросшую разрешающую и сложную форму объекта, пришлось сделать стэк аж из 174 кадров и с очень малым для такого объектива шагом перефокусировки. Но зато получилось весьма детально и помимо резкости, что закономерно, приросла и детализированность изображения (я сравнивал, сделав ещё одиночные кадры некоторых областей объекта в обычном свете при прочих равных условиях).
Foraminifera in monochromatic light 450nm under a microscope 100% кроп фрагмента изображения с прикреплённой микрометрической шкалой, снятой в тех же условиях:
- кроп несколько "пережат", так что для детальных наблюдений лучше скачать полноразмер с фликра - у меня это там доступно, так как я публикую снимки под свободной лицензией CC BY-NC-ND 2.0 (
https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/ )
Я считаю, что эксперимент удался и успешно, камера приятно порадовала отсутствием заметных потерь при такой съёмке и без сдвига пикселей. Конечно, он бы дал наилучший результат, но делать стэк из 174 равов и так не быстро и требует много ресурсов ноутбука, даже не самого слабого далеко, и сшивать столько же предварительно созданных пиксель-шифтов по 20 кадров каждый, я не готов - оставлю это для более ответственных работ, с более высоким разрешением в целом и с меньшим количеством кадров в стэке. Добавлю потом в эту тему.
А завершу пока что полезными ссылками на эту тематику и близкую.
Например, известно, что в фотолитографии и в рентгеновских аппаратах применяется оптика, которая не работает адекватно в "обычных условиях", так как часто не имеет привычных нам коррекций, но зато обладает непревзойдёнными характеристиками по соотношению разрешающей способности и ширине высококлассно исправленного по кривизне поля:
https://www.photomacrography.net/forum/ ... hp?t=35833 https://www.photomacrography.net/forum/ ... atic+light Ещё ссылки на тему применения собственно монохромной камеры и фотолитографического объектива с освещением монохроматическим светом от коротковолнового лазера:
https://www.photomacrography.net/forum/ ... ng+in+milk Да, отдельного внимания заслуживает проблема "спеклов" при использовании освещения лазером - в теме по ссылке выше об этом сказано, и вот здесь есть ещё:
https://www.photomacrography.net/forum/ ... ng+in+milk Ну и ещё в целом по теме:
https://www.photomacrography.net/forum/ ... atic+light