רזולוציה אופטית

רזולוציה אופטית היא היכולת של מצלמה, או מערכת אופטית במקרה הכללי, להבחין בפרטים בתמונה. המונח "רזולוציה" מתייחס לכמה גדלים פיזיקליים שונים.

רזולוציה על המטרה, או GSD (Ground Sampled Distance) - גודל הפרט הכי קטן במטרה שניתן להבחין בו. במקרה כזה המטרה נמצאת במרחק ידוע.

רזולוציה זוויתית, או IFOV (Incremental Field Of View) - מציין את הפרט הכי קטן שהמצלמה יכולה לראות כאשר המרחק אינו ידוע, ולכן מודדים בגודל זוויתי. עבור מטרה במרחק ידוע, הרזולוציה על המטרה שווה לגודל הקשת שיוצרת אותה זווית במעגל שרדיוסו שווה למרחק מהמטרה.

המונח "רזולוציה" יכול לציין את מספר הפיקסלים בתמונה דיגיטלית או בגלאי של מצלמה דיגיטלית.

מערכת אופטית פשוטה מורכבת מעדשה וגלאי אור הרגיש לספקטרום רחב של תדרים, החל מקרני גמא עד לקרני תת-אדום. העין היא דוגמה למערכת אופטית, היא כוללת עדשה המרכזת את האור הנכנס לעין וממקדת אותו על הרשתית שהיא גלאי האור של המערכת.

קריטריון ריילי לרזולוציה זוויתית שנקבע על ידי לורד ריילי, משמש למדידה של רזולוציית העדשה. הערך שמתקבל באמצעות קריטריון ריילי הוא גבולות הרזולוציה: ${\displaystyle 1.22\lambda F_{\#}}$ כאשר ${\displaystyle \lambda }$ הוא אורך הגל של האור ו- ${\textstyle F_{\#}}$ הוא מספר המוקד (הנתון על ידי ${\displaystyle F_{\#}=f/D}$ כאשר ${\displaystyle f}$ הוא אורך המוקד של המערכת האופטית ו - ${\displaystyle D}$ הוא קוטר המערכת האופטית- בדרך כלל קוטר עדשת או מראה הכניסה הראשית של המערכת) . ערך זה מתקבל ביחידות של מרחק כפי שהוא נמדד במישור הדמות של המערכת האופטית. ביחידות זוויתיות הנוסחה משתנית ל - ${\textstyle 1.22\lambda /D}$ . קריטריון זה משמש בדרך כלל למערכות הצופות לרחוק כגון מצלמות וטטלסקופית.

הפיזיקאי הגרמני ארנסט אבה הציב תנאי לגבול הרזולוציה האופטי המקסימלי של מערכת אופטית, התנאי נתון על ידי המשוואה הבאה:

$${\displaystyle {\textrm {Abbe}}\ {\textrm {limit}}={\frac {\lambda }{2\cdot {\textrm {NA}}}}}$$ כאשר ${\displaystyle \lambda }$ הוא אורך הגל, ו- NA הוא מפתח המערכת (numerical aperture). גבול זה ניתן לעקיפה כך שישופר גבול הרזולוציה על ידי שיטות מיוחדות של סופר רזולוציה, שיטות אלו משתמשות בעקרונות אופטיים כך שייתכן לראות פרטים הקטנים מגבול זה.קריטריון זה משמש בדרך כלל למיקרוסקופים.

פונקציית תמסורת אופטית (OTF) מכלילה את רעיון הרזולוציה של מערכת אופטית. פונקציית תמסורת היא הניגודיות (קונטרסט) של פרטים בגדלים שונים. כאשר הניגודיות יורדת מתחת לסף מסוים נאמר שזהו סף הרזולוציה של המערכת. נהוג לציין את הערך 0.02 כערך הסף, כלומר 2% מניגודיות מושלמת. בתכנון מערכת אופטית נהוג להשתמש בפונקציית התמסורת ולא ברזולוציה, מכיוון שהיא נותנת יותר אינפורמציה על ביצועי המערכת.