Filterspezifikation gesucht
Wie die Qualität von Filtern die Leistung
optischer Systeme beeinflusst
Designer können mit der Wahl des richtigen Filters einen erheblichen Einfluss auf die Abbildungsleistung des optischen Systems nehmen, wenn die Auswirkungen der Filterqualität auf Auflösung und andere Parameter bekannt sind. Viele Artikel beschäftigen sich damit, wie unterschiedliche optische Filter zur Kontraststeigerung eingesetzt werden können. Nur selten wird jedoch über die Qualität der Filter und deren Einfluss auf das optische Gesamtsystem geschrieben. In einigen Abbildungssystemen hat die Qualität des Filters wenig bis gar keinen Einfluss auf das finale Bild, in anderen Fällen ist die Wirkung auf das optische System so groß, dass die Änderung der Bildqualität signifikant ist.
Optische Glasfilter werden während der Herstellung üblicherweise geschliffen und poliert. Einige werden aber auch nur geschmolzen und in Form gepresst. Bei qualitativ hochwertigen Filtern sorgt ein präziser Schleif- und Polierprozess für einen kleinen Wellenfrontfehler und damit für eine bessere Bildqualität. Auch wenn die Herstellung präzisionsgeschliffener und feinpolierter Filtergläser zeitintensiv ist, so sind die Mehrkosten bezogen auf das Bildverarbeitungssystem unerheblich. Die Integration eines Präzisionsfilters im Vergleich zu einem minderwertigen Filter kann aber zu extremen Unterschieden im endgültigen Bild führen.
Auflösung verstehen
Um zu verstehen, wie Filterfehler die Leistung von optischen Systemen beeinflussen, müssen Systementwickler wissen, wie die Eigenschaften von optischen Systemen gemessen werden. Bei Objektiven z.B. liefert die MTF (Modulationsübertragungsfunktion) das Maß für das Kontrastverhalten bei verschiedenen Ortsfrequenzen. Die Anforderungen an die MTF des optischen Systems sind von vielen Faktoren abhängig, z.B. der Pixelgröße des verwendeten Bildsensors. Bild 2 veranschaulicht, dass bei einer Pixelgröße von 7µm das kleinste auflösbare Objekt, das die Kamera aufnehmen kann, nach dem Nyquist-Theorem 14µm groß ist. Somit ist die Grenzauflösung 1000/14 entsprechend 70 Linienpaare pro Millimeter (LP/mm). Um die Bildqualität des Gesamtsystems nicht zu sehr negativ zu beeinflussen, sollte der Wert der MTF bei 67% der Nyquist-Frequenz (entspricht 47LP/mm) nicht unter einen Wert von 30% fallen.
Filterfehler
Die MTF des Gesamtsystems ist das Produkt der Einzel-MTFs der Linse, des Filters, der Kamera und der verwendeten Elektronik mit der das Bild aufgenommen wird. So wird klar, dass der Einsatz von Filtern das Auflösungsvermögen des Systems oftmals drastisch verändern kann. Der Wellenfrontfehler eines Filters wird am Interferometer gemessen. Dazu wird der Filter mit einem nahezu perfekten Ausgangsstrahl aus monochromatischem Licht, dem Referenzstrahl, durchleuchtet. Der Referenzstrahl wird durch die Fehler im Filter beim Durchgang gestört und vom Reflektor (eine nahezu perfekte Planoberfläche) zurückreflektiert. Referenzstrahl und reflektierter Strahl interferieren. Das so entstandene Interferenzmuster, auch Interferogramm genannt, wird dann aufgenommen. Mit der Analysesoftware des Interferometer-Herstellers wird das Streifenmuster analysiert. Die Wellenfrontdeformation wird bestimmt oder der Abstand zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Punkt der Testwelle zur Referenzwellenfront ausgemessen. Abhängig von der Qualität des Filters erhält man für die unterschiedlichen Qualitätsstufen charakteristische Interferogramme, die die Filter genau definieren. Das Interferogramm eines nahezu perfekten Filters mit einer Lambda/20 Wellenfrontdeformation zeigt ein sehr gleichmäßiges Streifenmuster (Bild 1a), während ein schlechter Filter mit 5 und mehr Lambda Wellenfrontfehler durch ein sehr unregelmäßiges Streifenmuster charakterisiert ist (Bild 1c).
