Введение
Качество изображения, потерявшего резкость
В оптике, дефокус – это аберрация, при которой изображение оказывается не в фокусе. Эта аберрация знакома каждому, кто пользовался фотоаппаратом, видеокамерой, микроскопом, телескопом или биноклем. Оптически дефокус представляет собой смещение фокуса вдоль оптической оси от плоскости формирования изображения. В общем случае, дефокус снижает четкость и контрастность изображения. Четкие, контрастные границы объектов в сцене становятся плавными переходами. Мелкие детали сцены размываются или даже становятся невидимыми. Почти все приборы, формирующие изображение, имеют механизм регулировки фокуса для минимизации дефокуса и повышения качества изображения.
В оптике и фотографии
Степень размытия изображения при заданном смещении фокуса обратно пропорциональна числовой апертуре объектива (f-числу). Низкие значения f-числа, такие как 2.8, очень чувствительны к расфокусировке и имеют малую глубину резкости. Высокие значения f-числа, в диапазоне от 16 до 32, более устойчивы к расфокусировке и, следовательно, обладают большой глубиной резкости. Предельный случай – камера-обскура с очень малым отверстием (порядка 100–1000), в которой практически все объекты находятся в фокусе независимо от расстояния до отверстия. Однако, цена такой большой глубины резкости – очень слабое освещение на светочувствительном элементе (пленке или сенсоре), ограниченное разрешение из-за дифракции и длительное время экспозиции, что может привести к размытию изображения из-за движения. Допустимая степень расфокусировки связана с разрешением регистрирующей среды. Светочувствительный элемент или пленка с более низким разрешением менее чувствительны к расфокусировке и другим аберрациям. Чтобы в полной мере использовать преимущества среды с высоким разрешением, необходимо минимизировать расфокусировку и другие аберрации. Расфокусировка моделируется в формате полиномов Зернике как , где – коэффициент расфокусировки, выраженный в длинах волн света. Это соответствует параболической разности оптических путей между двумя сферическими волновыми фронтами, касающимися друг друга в вершинах и имеющими разные радиусы кривизны. В некоторых приложениях, таких как фазово-контрастная электронная микроскопия, расфокусированные изображения могут содержать полезную информацию. Несколько изображений, полученных при различных значениях расфокусировки, могут быть использованы для изучения изменения интенсивности электронной волны в трехмерном пространстве, что позволяет определить фазу волны. Это лежит в основе неинтерферометрического восстановления фазы. Примеры алгоритмов восстановления фазы, использующих расфокусированные изображения, включают алгоритм Герхберга — Сакстона и различные методы, основанные на уравнении переноса интенсивности.
В видении
В обычной беседе термин "размытость" может использоваться для описания любого снижения зрения. Однако в клинической практике размытое зрение означает субъективное ощущение или восприятие оптического дефокуса внутри глаза, называемого рефракционной ошибкой. Размытость может проявляться по-разному в зависимости от степени и типа рефракционной ошибки. Вот несколько примеров размытых изображений, которые могут быть вызваны рефракционными ошибками: степень размытости зрения можно оценить, измерив остроту зрения с помощью таблицы для проверки зрения. Размытое зрение часто корректируется путем фокусировки света на сетчатке с помощью корректирующих линз. Эти коррекции иногда имеют нежелательные побочные эффекты, такие как увеличение или уменьшение изображения, искажения, цветовые ореолы и изменение восприятия глубины. Во время обследования глаз острота зрения пациента измеряется без коррекции, с текущей коррекцией и после рефракции. Это позволяет врачу-офтальмологу или оптометристу определить, в какой степени рефракционные ошибки ограничивают качество зрения пациента. Острота зрения по Снеллену 6/6 или 20/20, или 1,0 в десятичном выражении, считается нормальной для человека со средним зрением (у молодых взрослых этот показатель может быть почти вдвое выше). Более низкая острота зрения даже после полной коррекции указывает на наличие других факторов, ограничивающих зрение, помимо рефракционной ошибки.
Диск размытия
Оптическая дефокусировка может быть вызвана неправильными корректирующими линзами или недостаточной аккомодацией, например, при пресбиопии, связанной со старением глаза. Как упоминалось выше, лучи света от точечного источника в этом случае не фокусируются в одной точке на сетчатке, а распределяются в небольшой диск света, называемый диском размытия. Его размер зависит от размера зрачка и степени дефокусировки и рассчитывается по формуле:
(d = диаметр в градусах визуального угла, p = размер зрачка в мм, D = дефокусировка в диоптриях). В теории линейных систем точечное изображение (то есть диск размытия) называют функцией рассеяния точки (PSF). Изображение на сетчатке получается в результате свертки изображения в фокусе с PSF.