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Auflösungsvermögen, Verzeichnung und spektrale Durchlässigkeit

Nachdem Sie das erforderliche Objektfeld ausgewählt haben, sind Auflösung und Bildqualität die wichtigsten Kriterien für die weitere Auswahl einer Optik. Das Objektiv muss zur Auflösung der Kamera und zur Anforderung der Applikation passen.

Auflösungsvermögen: Modulationstransferfunktion

Die Modulationstransferfunktion (MTF) ist die quantitative Beschreibung der Abbildungsgüte einer abbildenden Optik unter Berücksichtigung aller Abbildungsfehler. Zur Bestimmung der MTF werden mit der Optik Linien (Gitter) unterschiedlicher Abstände (Ortsfrequenz in Linienpaaren/mm) abgebildet. Der Kontrastverlust durch die optische Abbildung wird in der MTF-Kurve für jede Ortsfrequenz dargestellt. Je mehr Linienpaare pro mm unterschieden werden können, desto besser ist die Auflösung des Objektivs.

Eine perfekte Linse würde ein Bild erzeugen, das dem Objekt inklusive aller Details und Helligkeitsschwankungen perfekt entspricht. In der Praxis ist dies jedoch nicht möglich, da eine Linse wie ein Tiefpassfilter wirkt. Die Abschwächung einer gegebenen Frequenz oder eines Details wird mittels der MTF klassifiziert. Dieser Wert gibt einen Hinweis auf die Übertragungseffizienz des Objektivs. Vereinfacht gesagt werden große Strukturen wie Linien mit großem Abstand normalerweise mit gutem Kontrast übertragen, kleinere Strukturen wie beispielsweise feine Linien mit geringem Abstand hingegen mit geringerem Kontrast.

Bei jeder Linse gibt es einen Punkt, an dem der Kontrast den Wert Null erreicht. Diese Grenze wird oft als Auflösungsgrenze bezeichnet und üblicherweise in Linienpaaren pro Millimeter (lp/mm) oder bei einigen Makroobjektiven als Mindestliniengröße in µm angegeben.

Die Modulationsübertragung verschlechtert sich, je weiter man sich von der optischen Achse zum Objektivrand bewegt. Diese Abnahme (oft ein Faktor von 2 oder 3) ist zu beachten, wenn die geforderte Auflö- sung für das gesamte Bild erforderlich ist. Die MTF kann aufgrund von Astigmatismus an einem speziellen Punkt der Optik auch schwanken, abhängig von der Richtung der Linien in diesem Punkt. In vielen MTFCharts wird dies mit T und S angegeben (T = tangential, die MTF-Linienpaare, die vom Mittelpunkt der Linse ausstrahlen, S = sagittal, MTF in 90° zum T).

Die nachfolgende Zeichnung zeigt, welche Auswirkungen die MTF einer Optik auf eine Abbildung hat.

Das Auflösungsvermögen eines Objektivs spielt bei Bildverarbeitungsaufgaben eine wichtige Rolle. Bei der Auswahl einer Optik muss berücksichtigt werden, dass das Auflösungsvermögen des Objektivs zur Pixelgröße der Kamera passt.

Abhängig von der Größe und Auflösung des Sensors (Anzahl der Pixel) variiert die Pixelgröße von Kamera zu Kamera. Je kleiner die Pixel, desto besser muss das Auflösungsvermögen des Objektivs sein.

Bei der Festlegung der Auflösung muss das System als Ganzes betrachtet werden. Viele moderne Megapixelkameras verwenden kleinere Sensoren, um die Kosten gering zu halten. Diese kleinen Sensoren arbeiten mit kleineren Pixeln und benötigen daher oft bessere und teurere Objektive, um eine Feinauflösung zu ermöglichen. Manchmal kann es daher besser und günstiger sein, eine teurere Megapixelkamera mit grö- ßeren Pixeln zu nutzen, die ein weniger aufwändiges Objektiv benötigt.

Eine letzte Anmerkung zur Betrachtung der MTF-Kurven von unterschiedlichen Optikherstellern: Die MTF wird maßgeblich durch eine Vielzahl von Faktoren wie beispielsweise der Blendeneinstellung beeinflusst. Daher kann es sein, dass bei einem Vergleich von MTF-Werten, die in unterschiedlichen Testumgebungen erzeugt wurden, falsche Rückschlüsse gezogen werden. Bitte kommen Sie in diesem Fall auf unsere Experten zu, wir haben oft zusätzliche Informationen vorliegen, die derartige Entscheidungen erleichtern können.

Verzeichnung

Im Idealfall wäre das von einer beliebigen Optik erzeugte Bild eine exakte Wiedergabe des Objekts im Bildfeld. Leider weisen jedoch alle Optiken eine mehr oder weniger starke Verzeichnung auf. Wie das nachfolgende Diagramm zeigt, wird das erzeugte Bild entweder nichtlinear gedehnt oder gestaucht, wodurch exakte Messungen sehr schwierig sind. Obwohl es für die Korrektur dieser Verzerrungen softwarebasierte Möglichkeiten gibt, können diese die physikalische Tiefe des Objekts nicht berücksichtigen. Daher ist es immer besser, ein hochwertiges, möglichst verzeichnungsfreies Objektiv zu benutzen, statt zu versuchen, Verzerrungen mittels Software nachzubearbeiten.

Verschiedene Arten der Verzeichnung

Generell gilt: Ein Objektiv mit kürzerer Brennweite weist eine größere Verzeichnung auf als eines mit längerer Brennweite, da das Licht unter einem größeren Winkel auf den Sensor trifft. Durch ein spezielles, aufwändigeres Objektiv-Design ist es aber möglich, die Verzeichnung gering zu halten. Wenn Verzerrungen die Messungen in Ihrer Anwendung beeinflussen, ist es besser, eine Optik mit größerer Brennweite zu verwenden und den Arbeitsabstand entsprechend zu vergrößern.

Dies hängt jedoch auch von der Sensorgröße ab und ist oft wegen begrenztem Platz nicht möglich. Sollte dies der Fall sein, ist eventuell eine Optik mit verringerter Verzeichnung und der gleichen Brennweite die bessere Lösung.

Entspiegelung und spektrale Durchlässigkeit

Unterschiedliche Beschichtungen helfen, die Oberflächenreflexionen zu reduzieren und die Transmission zu verbessern. Obwohl diese Entspiegelungen oft nur wenige Mikrometer dünn sind, können sie die Bildqualität wesentlich verbessern.

Die Oberfläche der Beschichtung erzeugt eine zweite Reflexion, die um 1/4 von der Wellenlänge abweicht, die durch die Reflexion auf der Objektivoberfläche entsteht, so dass die Strahlen gegenphasig sind und sich gegenseitig aufheben (destruktive Interferenz).

Optische Materialien und auch Beschichtungen haben für Licht mit verschiedenen Wellenlängen eine unterschiedlich hohe Transmission. Die Transmission im Infrarot kann z.B. mit einer IR-Beschichtung erhöht werden. Für Anwendungen mit UV-Beleuchtung müssen die Linsen aus Quarz und Calciumfluorid (CaF2) hergestellt werden.