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Welchen Einfluss haben Objektive auf die Bildqualität?

Mehr als nur Glas

Im Laufe der letzten Jahre sind viele Sensoren für den Machine-Vision-Markt entwickelt worden, die besonders klein sind. Die Anforderungen, die an die Kameras gestellt werden, sind aber gleichzeitig gestiegen. Seit die Sensoren – und mit ihnen ihre Pixel – immer kleiner geworden sind, ist es schwieriger, diese kleinen Pixel aufzulösen. Umso wichtiger ist es, ein passendes Objektiv zu wählen, das dieser Aufgabe gewachsen ist. Welchen Einfluss die Optik auf die Bildqualität hat, soll im Folgenden näher beleuchtet werden.

(Bild: Basler AG)

Bild 1: Image Sensoren -€“ und auch ihre Pixel – werden immer kleiner. Damit ist Wahl des Objektivs, um diese Bilder auflösen zu können, immer wichtiger. (Bild: Basler AG)

Ein Großteil der gängigen Objektive ist für 2/3″-Sensoren ausgelegt. Hat man eine Kamera mit einem Sensor dieser Größe, passt die Kombination sehr gut. Immer häufiger findet man jedoch Bildverarbeitungskameras mit kleineren Sensoren. Ein beliebter CMOS-Sensor hat beispielsweise einen Bildkreis von 1/2.5″ und 2,2µm kleinen Pixel. Kombiniert man diese Kameras mit Objektiven, die eigentlich für einen Bildkreis von 2/3″ ausgelegt sind, funktioniert das zwar, ist aber weder kostenseitig noch bezüglich der Bildqualität eine ideale Lösung. Das liegt daran, dass Objektive mit einem Bildkreis von 2/3″, welche die 2,2µm kleinen Pixel des 1/2.5″-Sensors auflösen können, teuer sind. Ein kleinerer Bildkreis bietet die Möglichkeit, ein Objektiv mit hoher Auflösung anzubieten, das deutlich kostengünstiger ist als vergleichbare 2/3″-Objektive. Besonders deutlich wird der Vorteil eines kleineren Bildkreises im Hinblick auf die Auflösung: 5MP bei einem 1/2,5″-Objektiv – also 230lp/mm (line pairs per millimeter) bzw. eine Pixelgröße von 2,2µm – entsprechen damit ungefähr 12MP bei einem 2/3″-Objektiv.

Auflösungsvermögen von Sensor und Objektiv

(Bild: Basler AG)

Bild 2: Bei einem 5 MP 1/2.5″-Objektiv entspricht die Auflösung in etwa der eines 12MP 2/3″ Objektivs. (Bild: Basler AG)

Die Auflösung ist der Indikator dafür, wie klein die kleinsten Details sind, die man in einem Bild noch erkennen kann. Dabei setzt sich die Auflösung des Bildes aus dem Auflösungsvermögen des Sensors und des Objektivs zusammen, d.h. ein Sensor mit möglichst kleinen Pixeln und ein Objektiv, das diese auflösen kann, führen zu einem detailreichen Bild. Je kleiner die Pixel des Sensors sind, desto höher muss das Auflösungsvermögen des Objektivs sein. Dies wird in lp/mm angegeben und kann auch in die entsprechende Pixelgröße des Sensors in Mikrometer umgerechnet werden. Die Auflösung beschreibt, wie groß der kleinstmögliche Abstand zwischen zwei Linien sein darf, damit man sie in einem Bild immer noch als getrennt voneinander erkennen kann. Für den Test des Auflösungsvermögens des Objektivs werden Testcharts mit den genannten Linienpaaren verwendet. Die Linien sind abwechselnd schwarz und weiß, wobei je eine schwarze und weiße Linie ein Linienpaar bilden. Da die Linien schwarz und weiß sind, besteht ein Kontrast von 100 Prozent zwischen ihnen. Es hat sich herausgestellt, dass das beste Bild entsteht, wenn das Linienmuster der Pixelgröße entspricht und das Objektiv es bei einem Kontrast von 25 Prozent im Bild auflösen kann. Oft werden Kameras mit Objektiven kombiniert, die nur annähernd das leisten können, was die hochauflösenden Kamerasensoren versprechen. Allerdings steigt der Informationsgehalt des Bildes im Vergleich zu Sensoren mit geringerer Auflösung kaum, wenn das Objektiv die Pixel des Sensors nicht richtig abbilden kann. Dann erscheinen Kanten und Strukturen im Bild verwischt. Die Konsequenz daraus ist eine Bildqualität, die in einer Anwendung in der industriellen Bildverarbeitung nicht (oder nur bedingt) zum gewünschten Ergebnis führt. Hier kann man auch vom sogenannten ´Megapixel-Marketing´ bei den Image Sensoren sprechen: Eine hohe Sensorauflösung ist zwar grundsätzlich ein Vorteil, ohne ein darauf passend abgestimmtes Objektiv gibt es aber keine Verbesserung im Vergleich zu Sensoren mit weniger Pixeln.

Einfluss der Blendenöffnung auf die Abbildung

(Bild: Basler AG)

Bild 3: Darstellung der Trennschärfe einer Abbildung in Abhängigkeit von der Blendenzahl. (Bild: Basler AG)

Einen großen Einfluss auf die Bildqualität hat auch die gewählte Blendenöffnung eines Objektivs. Jedes Objektiv hat eine definierte Aberrationsunschärfe (Abbildungsunschärfe), die mit dem Schließen der Blende abnimmt. Eine kleinere Blendenöffnung hat noch weitere Vorteile, wie verminderte Randabschattung und eine höhere Schärfentiefe. Diesen Vorteilen steht jedoch die Beugungsunschärfe gegenüber, die mit dem Schließen der Blende zunimmt. Die Beugung beschreibt den Effekt, dass ein Punkt eines Objekts auf dem Sensor als Scheibe – die sogenannte Airy-Scheibe – abgebildet wird, denn kein Objektiv kann einen Punkt des Objekts auf einen unendlich kleinen Punkt auf dem Sensor abbilden. Je kleiner die Blendenöffnung des Objektivs eingestellt ist, desto größer ist der Durchmesser dieser Scheibe. Dabei kann ein Objektiv mit einer Blendenzahl von 5,6 einen Punkt eines Objekts als eine Scheibe von bestenfalls ungefähr 6µm Durchmesser auf dem Sensor abbilden. Daraus ergibt sich für jedes Objektiv eine optimale Blendenzahl, bei der die Summe der Aberrationsunschärfe und der Beugungsunschärfe am geringsten ist. Zusammenfassend erklärt dies den großen Einfluss des Objektivs und dessen Blendeneinstellung auf die Bildqualität und verdeutlicht, dass man das Objektiv auf den Sensor der Kamera abstimmen muss, um das bestmögliche Bild zu erzielen.

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