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Abbildungsfehler von Optiken

Defektabweichungen, Chromatische Abweichungen, Sphärische Abweichungen

Mit einer perfekten Optik werden alle den Sensor erreichenden Lichtstrahlen von einem einzigen Punkt der Objektebene auf einen einzelnen Punkt der Bildebene fokussiert. Jedes Verhalten einer Optik, das diesem Idealfall nicht entspricht, wird als Abbildungsfehler klassifiziert.

Diese Abbildungsfehler können sein:

Defektabweichungen

Alle physikalischen Defekte auf der Oberfläche eines Objektivs führen zu einer Beeinträchtigung des Bildes, da ein Lichtstrahl, der auf die fehlerhafte Stelle trifft, nicht korrekt fokussiert wird, wie die nachfolgende Zeichnung verdeutlicht.

Chromatische Abweichungen

Weißes Licht setzt sich aus verschiedenen Farben oder elektromagnetischen Wellenlängen zusammen. Wenn weißes Licht auf eine Linse trifft, nimmt jede Farbe einen etwas unterschiedlichen Weg, da die Brechung in Abhängigkeit der Wellenlänge des Lichts variiert. Dies wird Streuung genannt. Wenn eine Linse nicht dafür ausgelegt ist, diese Streuung zu korrigieren, erscheinen auf jeder Aufnahme Farbsäume. Exakte Messungen sind so nicht möglich, da die Kanten des Prüfobjekts unscharf erscheinen. Das Ausmaß dieser Unschärfe nimmt zum Bildrand hin zu.

Werden keine Farbinformationen über das Objekt benötigt, können durch die Nutzung von monochromem Licht chromatische Fehler vermieden werden. Heutzutage sind LEDs die am häufigsten in der Bildverarbeitung eingesetzten Beleuchtungen. Die am meisten verwendete Farbe ist dabei Rot. Wenn rotes Licht gemeinsam mit einem entsprechenden Rotfilter genutzt wird, um alle Fremdfarben auszufiltern, entsteht ein sehr klares, scharfes Bild.

Wenn es unumgänglich ist, Weißlicht zu verwenden, sollten farbkorrigierte Objektive eingesetzt werden, um unerwünschte Effekte zu vermeiden.

Ein extremes Beispiel für die Anwendung dieser Farbkorrektur sind korrigierte Objektive im nahen Infrarotbereich. Diese Objektive erzeugen ein scharfes Abbild sowohl im NIR-, als auch im sichtbaren Bereich. Deshalb eignen sie sich besonders für Aufgaben, bei denen Umgebungslicht oder eine aktive NIR-Quelle genutzt werden müssen, um z.B. eine Nachtszene zu beleuchten.

Die Auswirkungen von chromatischen Abweichungen werden als Farbsäume an den Kanten der Objekte sichtbar, wie hier zu sehen ist. Dies macht exakte Messungen problematisch, da die Objekte keine scharfen Kanten mehr haben.

Sphärische Abweichungen

Die meisten Linsen sind sphärisch geformt. Die Oberfläche einer sphärischen Linse hat die Form eines Kugelausschnitts. Linsen werden in dieser Form gefertigt, da sie sich so einfacher schleifen lassen. Obwohl diese Form für zahlreiche Anwendungen geeignet ist, erzeugt sie keine perfekten Bilder. Das Licht, das durch die Mitte der Linse fällt, erfährt eine andere Vergrößerung als das Licht, das auf die Kanten trifft. Das bedeutet, dass jeder Strahl einen anderen Brennpunkt hat, der von der Entfernung zur Linsenmitte abhängig ist. Mit einer sphärischen Linse erzeugte Bilder weisen zu den Kanten hin mehr Unschärfe auf.

Der Einsatz von nicht sphärischen Linsen liefert erheblich bessere Bilder. Diese sind so geschliffen, dass die Vergrößerung über die komplette Linse gleich bleibt. All diese Eigenschaften einer Linse tragen zur Gesamtauflösung bei. Dieses Auflösungsvermögen eines Objektivs wird mit der Modulationstransferfunktion, kurz MTF angegeben.