Введение

Функция, определяющая, как различные пространственные частоты захватываются оптической системой. Функция оптического переноса (OTF) оптической системы, такой как камера, микроскоп, человеческий глаз или проектор, определяет, как различные пространственные частоты захватываются или передаются. Она используется оптическими инженерами для описания того, как оптика проецирует свет от объекта или сцены на фотопленку, матрицу детекторов, сетчатку, экран или просто следующий элемент в цепи оптической передачи. Вариант – функция передачи модуляции (MTF) – не учитывает фазовые эффекты, но во многих ситуациях эквивалентна OTF. Любая из этих функций передачи определяет отклик на периодический синусоидальный узор, проходящий через оптическую систему, как функцию его пространственной частоты или периода, а также ориентации. Формально OTF определяется как преобразование Фурье функции рассеяния точки (PSF, то есть импульсной характеристики оптики, изображения точечного источника). Как преобразование Фурье, OTF является комплекснозначной функцией; однако, в общем случае, когда PSF симметрична относительно своего центра, она будет вещественнозначной. MTF формально определяется как модуль (абсолютное значение) комплекснозначной OTF. На рисунке справа показаны функции оптического переноса для двух различных оптических систем на панелях (a) и (d). Первая соответствует идеальной системе формирования изображения, ограниченной дифракцией, с круглой апертурой. Ее функция переноса приблизительно плавно уменьшается с ростом пространственной частоты до достижения дифракционного предела, в данном случае – 500 циклов на миллиметр или период 2 мкм. Поскольку периодические структуры с размером, равным этому периоду, захватываются данной системой формирования изображения, можно сказать, что ее разрешение составляет 2 мкм. На панели (d) показана оптическая система, находящаяся вне фокуса. Это приводит к резкому снижению контраста по сравнению с системой формирования изображения, ограниченной дифракцией. Видно, что контраст равен нулю при частоте около 250 циклов/мм, или периоде 4 мкм. Это объясняет, почему изображения для системы вне фокуса (e,f) более размыты, чем изображения для системы, ограниченной дифракцией (b,c). Следует отметить, что, хотя система вне фокуса имеет очень низкий контраст при пространственных частотах около 250 циклов/мм, контраст при пространственных частотах вблизи дифракционного предела 500 циклов/мм ограничен дифракцией. При внимательном рассмотрении изображения на панели (f) можно заметить, что изображение областей с высокой плотностью спиц вблизи центра мишени со спицами относительно четкое.

ОТФ идеальной системы линз

Идеальная система линз обеспечит высококонтрастную проекцию без смещения периодического рисунка, следовательно, функция оптического переноса идентична функции передачи модуляции. Обычно контраст постепенно уменьшается до нуля в точке, определяемой разрешением оптики. Например, совершенная, не имеющая аберраций, оптическая система изображения с апертурой f/4, используемая при видимой длине волны 500 нм, будет иметь функцию оптического переноса, изображенную на рисунке справа. Из графика видно, что контраст постепенно снижается и достигает нуля при пространственной частоте 500 циклов на миллиметр, иными словами, оптическое разрешение проекции изображения составляет 1/500 миллиметра, или 2 микрометра. Соответственно, для этого конкретного устройства визуализации спицы становятся все более размытыми к центру, пока не сливаются в серый, неразличимый диск. Следует отметить, что иногда функция оптического переноса приводится в единицах пространства объекта или образца, угла обзора, ширины пленки или нормализуется к теоретическому максимуму. Преобразование между этими единицами обычно сводится к умножению или делению. Например, микроскоп обычно увеличивает изображение в 10–100 раз, а зеркальный фотоаппарат обычно уменьшает объекты на расстоянии 5 метров в 100–200 раз. Разрешение цифрового устройства визуализации ограничено не только оптикой, но и количеством пикселей, а точнее, расстоянием между ними. Как объясняет теорема Котельникова — Шеннона, для соответствия оптическому разрешению приведенного примера пиксели каждого цветового канала должны быть разделены на 1 микрометр, что составляет половину периода 500 циклов на миллиметр. Увеличение количества пикселей на том же размере сенсора не позволит разрешить более мелкие детали. С другой стороны, если расстояние между пикселями превышает 1 микрометр, разрешение будет ограничено расстоянием между пикселями; более того, эффект наложения (aliasing) может привести к дальнейшему снижению точности изображения.

ОТФ несовершенной системы линз

Несовершенная, аберрированная система формирования изображения может обладать функцией передачи изображения, изображенной на следующем рисунке. Как и в случае идеальной линзовой системы, контраст достигает нуля при пространственной частоте 500 циклов на миллиметр. Однако при более низких пространственных частотах контраст значительно ниже, чем у идеальной системы в предыдущем примере. Фактически, контраст несколько раз опускается до нуля даже для пространственных частот ниже 500 циклов на миллиметр. Это объясняет серые кольцевые полосы на изображении спиц, показанном на рисунке выше. Между серыми полосами спицы кажутся инвертированными с черного на белый и наоборот, это явление называется инверсией контраста, которое напрямую связано с изменением знака в действительной части функции передачи изображения и проявляется как сдвиг на половину периода для некоторых периодических структур. Хотя можно утверждать, что разрешение как идеальной, так и несовершенной системы составляет 2 мкм, или 500 циклов/мм, очевидно, что изображения во втором примере менее резкие. Более адекватное восприятию качества определение разрешения использует пространственную частоту, при которой происходит первое обнуление – 10 мкм, или 100 циклов/мм. Определения разрешения, даже для идеальных систем формирования изображения, сильно различаются. Более полную и однозначную картину дает функция передачи изображения.

OTF оптической системы с неротационной симметричной аберрацией

Оптические системы, и в частности оптические аберрации, не всегда обладают осевой симметрией. Таким образом, периодические структуры с разной ориентацией могут отображаться с различным контрастом, даже если их период одинаков. Соответственно, функция передачи оптической системы или функция передачи модуляции обычно являются двумерными функциями. На следующих рисунках представлен двумерный эквивалент идеальной и несовершенной системы, рассмотренных ранее, для оптической системы с трефойлом – аберрацией, не обладающей осевой симметрией. Функции оптической передачи не всегда являются вещественными. Периодические структуры могут быть сдвинуты на любую величину в зависимости от аберрации в системе. Это обычно справедливо для аберраций, не обладающих осевой симметрией. Цветовые оттенки на поверхностях графиков, представленных выше, указывают на фазу. Можно заметить, что для аберраций с осевой симметрией фаза принимает значения либо 0, либо π, и, следовательно, функция передачи является вещественной, в то время как для аберраций без осевой симметрии функция передачи имеет мнимую составляющую, и фаза изменяется непрерывно.

Практический пример видеосистема высокой четкости

В то время как оптическое разрешение, как обычно используется применительно к системам камер, описывает лишь количество пикселей в изображении и, следовательно, потенциальную способность отображать мелкие детали, функция передачи описывает способность соседних пикселей переходить от черного к белому в ответ на узоры с изменяющейся пространственной частотой, и, следовательно, фактическую способность отображать мелкие детали, будь то с полным или пониженным контрастом. Изображение, воспроизведенное с функцией передачи, которая "сглаживается" на высоких пространственных частотах, будет казаться "размытым" в повседневном понимании. Рассматривая пример современной системы видео высокой четкости (HD) с разрешением 1920x1080 пикселей, теорема Найквиста утверждает, что в идеальной системе должно быть возможно полностью разрешить (с четкими переходами от черного к белому) в общей сложности 1920 чередующихся черных и белых линий, что также называется пространственной частотой 1920/2 = 960 пар линий на ширину изображения, или 960 циклов на ширину изображения (определения в терминах циклов на единицу угла или на мм также возможны, но обычно менее понятны при работе с камерами и более уместны для телескопов и т.п.). На практике это далеко не так, и пространственные частоты, приближающиеся к частоте Найквиста, обычно воспроизводятся с уменьшающейся амплитудой, так что мелкие детали, хотя и видны, значительно теряют в контрасте. Это приводит к интересному наблюдению: например, изображение телевидения стандартной четкости, полученное со сканера пленки, использующего передискретизацию (описанную далее), может казаться более четким, чем изображение высокой четкости, снятое камерой с плохой функцией передачи модуляции. Эти два изображения демонстрируют интересную разницу, которую часто упускают из виду: первое имеет полный контраст в деталях до определенного предела, но затем лишается действительно мелких деталей, в то время как второе содержит более мелкие детали, но с таким пониженным контрастом, что в целом производит впечатление худшего качества.

Трехмерная оптическая функция передачи

Хотя обычно изображение представляется плоским, или двумерным, система формирования изображения создает трехмерное распределение интенсивности в пространстве изображения, которое в принципе можно измерить. Например, двумерный сенсор можно перемещать для регистрации трехмерного распределения интенсивности. Изображение точечного источника также является трехмерным (3D) распределением интенсивности, которое можно представить функцией рассеяния точки (point spread function) в 3D. В качестве примера на рисунке справа показана трехмерная функция рассеяния точки в объектном пространстве микроскопа с широким полем зрения (a) рядом с функцией рассеяния точки конфокального микроскопа (c). Несмотря на то, что используется один и тот же микроскопический объектив с числовой апертурой 1.49, очевидно, что функция рассеяния точки конфокального микроскопа более компактна как в латеральных измерениях (x, y), так и в аксиальном измерении (z). Можно с уверенностью заключить, что разрешение конфокального микроскопа превосходит разрешение микроскопа с широким полем зрения во всех трех измерениях. Трехмерная функция оптического переноса (optical transfer function) может быть вычислена как трехмерное преобразование Фурье трехмерной функции рассеяния точки. Ее величина, закодированная цветом, представлена на панелях (b) и (d), соответствующих функциям рассеяния точки, показанным на панелях (a) и (c) соответственно. Функция оптического переноса микроскопа с широким полем зрения имеет область определения, которая в три раза меньше, чем у конфокального микроскопа во всех трех измерениях, что подтверждает ранее отмеченное более низкое разрешение микроскопа с широким полем зрения. Обратите внимание, что вдоль оси z, при x = y = 0, функция оптического переноса равна нулю везде, кроме начала координат. Этот недостающий конус – хорошо известная проблема, препятствующая оптическому секционированию с использованием микроскопа с широким полем зрения. Двумерная функция оптического переноса в фокальной плоскости может быть вычислена путем интегрирования трехмерной функции оптического переноса вдоль оси z. Хотя трехмерная функция оптического переноса микроскопа с широким полем зрения (b) равна нулю на оси z при z ≠ 0, ее интеграл, двумерная функция оптического переноса, достигает максимума при x = y = 0. Это возможно только потому, что трехмерная функция оптического переноса расходится в начале координат x = y = z = 0. Значения функции вдоль оси z трехмерной функции оптического переноса соответствуют дельта-функции Дирака.

Функция векторного переноса

При высоких числовых апертурах, таких как те, что используются в микроскопии, важно учитывать векторный характер полей, переносящих свет. Разлагая волны на три независимые компоненты, соответствующие декартовым осям, можно рассчитать функцию рассеяния точки для каждой компоненты и объединить их в векторную функцию рассеяния точки. Аналогично, векторная функция передачи оптической системы может быть определена, как показано в и .

Измерение

Функция оптического переноса полезна не только при проектировании оптических систем, но и для оценки характеристик изготовленных систем.

Начиная с функции распределения точек

Функция передачи оптической системы определяется как преобразование Фурье импульсной характеристики оптической системы, также известной как функция рассеяния точки. Таким образом, функцию передачи оптической системы можно легко получить, сначала получив изображение точечного источника и применив к дискретизированному изображению двумерное дискретное преобразование Фурье. Такой точечный источник может быть, например, ярким источником света за экраном с небольшим отверстием, флуоресцентной или металлической микросферой, или просто точкой, нанесенной на экран. Расчет функции передачи оптической системы на основе функции рассеяния точки является универсальным методом, поскольку он позволяет полностью характеризовать оптические системы с пространственно-изменяющимися и хроматическими аберрациями путем повторения процедуры для различных положений и спектральных характеристик точечного источника.

Использование расширенных испытательных объектов для пространственно инвариантной оптики

Когда аберрации можно считать пространственно инвариантными, для определения функции передачи оптической системы могут использоваться альтернативные тестовые изображения, такие как линии и кромки. Соответствующие функции передачи называются функцией распространения линии и функцией распространения края. Такие протяженные объекты освещают больше пикселей на изображении и могут повысить точность измерений благодаря большему отношению сигнал/шум. Функция передачи оптической системы в этом случае вычисляется как двумерное дискретное преобразование Фурье изображения, деленное на преобразование Фурье протяженного объекта. Обычно используется либо линия, либо черно-белая кромка.

Функция распределения линий

Двумерное преобразование Фурье прямой, проходящей через начало координат, является прямой, ортогональной ей и также проходящей через начало координат. Делитель, таким образом, равен нулю для всех измерений, кроме одного, а следовательно, функцию оптического переноса можно определить только для одного измерения, используя функцию распространения линии (LSF). При необходимости, двухмерную функцию оптического переноса можно определить, повторяя измерение с линиями под разными углами. Функция распространения линии может быть найдена двумя различными способами. Она может быть получена непосредственно из приближения идеальной линии, предоставляемого испытательной мишенью с щелью, или выведена из функции распространения края, которая обсуждается в следующем подразделе.

Используя сетку черно-белых линий

Хотя "резкость" часто оценивается по сетчатым узорам чередующихся черных и белых линий, строго говоря, ее следует измерять, используя синусоидальное изменение от черного к белому (размытая версия обычного узора). При использовании узора в виде квадратной волны (простых черных и белых линий) не только возрастает риск алиасинга, но и необходимо учитывать, что фундаментальная составляющая квадратной волны превышает амплитуду самой волны (гармонические компоненты снижают пиковую амплитуду). Таким образом, тестовая таблица с квадратной волной покажет завышенные результаты (лучшее разрешение высоких пространственных частот, чем достигается на самом деле). Результат, полученный с помощью квадратной волны, иногда называют "функцией передачи контраста" (CTF).

Факторы, влияющие на MTF в типичных системах камер

На практике, множество факторов приводят к значительному размытию воспроизводимого изображения, из-за чего узоры с пространственной частотой, лишь немного ниже частоты Найквиста, могут оказаться даже неразличимыми, а самые мелкие узоры могут выглядеть "вымытыми", проявляясь оттенками серого вместо четкого черного и белого. Основная причина обычно заключается в невозможности создания идеального оптического фильтра с резкой границей ("кирпичной стены") – часто реализуемого в виде "фазовой пластины" или линзы с определенными свойствами размытия в цифровых фотоаппаратах и видеокамерах. Такой фильтр необходим для снижения эффекта алиасинга путем подавления пространственных частот, превышающих частоту Найквиста дисплея.

Переборка и понижение конверсии для поддержания функции оптической передачи

Единственный практический способ приблизиться к теоретической резкости, достижимой в цифровой системе изображения, такой как камера, – использовать больше пикселей в сенсоре камеры, чем сэмплов в конечном изображении, и выполнять "даунконвертацию" или "интерполяцию" с помощью специальной цифровой обработки, которая отсекает высокие частоты выше частоты Найквиста, чтобы избежать алиасинга, сохраняя при этом достаточно плоскую MTF до этой частоты. Этот подход впервые был применен в 1970-х годах при разработке сканеров с летающим лучом и, позднее, линейных CCD-сканеров, которые считывали больше пикселей, чем требовалось, а затем выполняли даунконвертацию. Именно поэтому фильмы всегда выглядели более четкими на телевидении, чем материалы, снятые видеокамерой. Единственно теоретически верный способ интерполяции или даунконвертации – использование крутого пространственного фильтра нижних частот, реализованного посредством свертки с двухмерной функцией взвешивания sin(x)/x, что требует значительных вычислительных ресурсов. На практике для снижения требований к обработке используются различные математические приближения. Эти приближения широко применяются в системах видеомонтажа и программах обработки изображений, таких как Photoshop. Так же, как видео стандартной четкости с высокой контрастной MTF возможно только при увеличении частоты дискретизации, так и HD-телевидение с полной теоретической резкостью возможно только при использовании камеры с существенно более высоким разрешением с последующей цифровой фильтрацией. Поскольку сейчас фильмы снимаются в 4K и даже 8K для кинотеатров, лучшую картинку на HDTV следует ожидать от фильмов или материалов, снятых в более высоком стандарте. Независимо от того, насколько мы увеличим количество пикселей в камерах, это всегда будет верно при отсутствии идеального оптического пространственного фильтра. Аналогично, изображение в 5 мегапикселей, полученное с 5-мегапиксельной камеры, никогда не будет более четким, чем изображение в 5 мегапикселей, полученное после даунконвертации с 10-мегапиксельной камеры того же качества. Из-за проблемы поддержания высокой контрастной MTF, вещательные компании, такие как BBC, долгое время рассматривали возможность сохранения стандартного телевидения, улучшая его качество за счет съемки и просмотра с большим количеством пикселей (хотя, как упоминалось ранее, такая система, хотя и впечатляющая, в конечном итоге лишена тонких деталей, которые, хотя и ослаблены, усиливают эффект просмотра в истинном HD). Еще одним фактором в цифровых камерах и видеокамерах является разрешение объектива. Можно сказать, что объектив "разрешает" 1920 горизонтальных линий, но это не означает, что он делает это с полной модуляцией от черного к белому. "Функция передачи модуляции" (просто термин для величины оптической функции передачи без учета фазы) дает точную оценку производительности объектива и представляется графиком амплитуды в зависимости от пространственной частоты. Дифракция на диафрагме объектива также ограничивает MTF. Хотя уменьшение диафрагмы объектива обычно снижает аберрации и, следовательно, улучшает плоскостность MTF, существует оптимальная диафрагма для любого объектива и размера сенсора изображения, при которой меньшие диафрагмы снижают разрешение из-за дифракции, которая рассеивает свет по сенсору изображения. Это едва ли было проблемой в эпоху камер с пластинами и даже 35-мм пленки, но стало непреодолимым ограничением с очень маленькими сенсорами формата, используемыми в некоторых цифровых камерах и особенно видеокамерах. Первые HD-видеокамеры для потребителей использовали сенсоры размером 1/4 дюйма, для которых диафрагмы меньше примерно f4 начинают ограничивать разрешение. Даже профессиональные видеокамеры в основном используют сенсоры размером 2/3 дюйма, что не позволяет использовать диафрагмы около f16, которые считались бы нормальными для пленочных форматов. Некоторые камеры (например, Pentax K10D) оснащены режимом "автоэкспозиции MTF", в котором выбор диафрагмы оптимизирован для достижения максимальной резкости. Обычно это означает значение в середине диапазона диафрагм.

Тенденция к широкоформатным зеркальным фотокамерам и улучшенный потенциал MTF

В последнее время наблюдается тенденция к использованию цифровых однообъективных зеркальных камер большого формата, обусловленная потребностью в высокой светочувствительности при слабом освещении и эффекте малой глубины резкости. Это привело к тому, что некоторые кино- и телепродюсеры стали отдавать предпочтение таким камерам даже профессиональным HD-видеокамерам, благодаря их "кинематографическому" потенциалу. Теоретически, использование камер с 16- и 21-мегапиксельными сенсорами открывает возможность достижения почти идеальной резкости за счет понижающей конвертации непосредственно в камере, с применением цифровой фильтрации для устранения алиасинга. Эти камеры демонстрируют впечатляющие результаты и, похоже, задают направление в видеопроизводстве, где крупноформатная понижающая конвертация с цифровой фильтрацией становится стандартным подходом к получению плоской АЧХ с полным отсутствием алиасинга.

Цифровая инверсия ОТФ

Из-за оптических эффектов контраст может быть неоптимальным и стремиться к нулю до достижения частоты Найквиста дисплея. Оптическое снижение контраста можно частично компенсировать путем избирательного цифрового усиления пространственных частот перед отображением или дальнейшей обработкой. Хотя существуют более сложные методы восстановления цифровых изображений, алгоритм деконволюции Винера часто используется благодаря своей простоте и эффективности. Поскольку эта техника умножает пространственные спектральные компоненты изображения, она также усиливает шум и ошибки, вызванные, например, алиасингом. Поэтому она эффективна только при работе с качественными записями, имеющими достаточно высокое отношение сигнал/шум.

Ограничения

В целом, функция рассеяния точки, являющаяся изображением точечного источника, также зависит от таких факторов, как длина волны (цвет) и угол поля зрения (положение точечного источника в поле). Если такое изменение достаточно плавное, оптическую систему можно охарактеризовать набором функций передачи изображения. Однако, если изображение точечного источника резко меняется при смещении в поле зрения, функция передачи изображения неточно описывает оптическую систему.