Bildverarbeitungsobjektive: Aberrationen und Verzerrungen

In Teil 1 und Teil 2 dieser Blog-Reihe zum Thema Bildverarbeitungsobjektive haben wir eine Reihe von Parametern behandelt, die zur Gesamtbildqualität beitragen. Wir haben auch einen grundlegenden Blick auf MTF-Kurven und Ihre Funktionsweise geworfen.

Im Blog dieser Woche werden wir mit dem Thema fortfahren und in einige Parameter noch etwas tiefer eintauchen, um Ihnen die Funktionsweise näher zu bringen und Sie bestmöglich bei der Auswahl der richtigen Objektive für Ihre Bildverarbeitungsanwendung zu unterstützen.

Aberrationen

Es ist wichtig, dass Entwickler und Integratoren von Bildverarbeitungssystemen alle Möglichkeiten berücksichtigen, wie Licht durch eine Linse verzerrt werden kann. Ohne diese Weitsicht könnten Sie Geld für ein Objektiv aufwenden, das trotz hoher Qualität nicht für die jeweilige Kamera geeignet ist.

Bereits 1857 wurden fünf Haupttypen von Linsenfehlern definiert: Bildfeldkrümmung, sphärische Aberration, Astigmatismus, Verzerrung und Koma. Natürlich gab es zu diesem Zeitpunkt noch keine Farbabbildung (obwohl diese nur vier Jahre später im Jahr 1861 kam), so dass diese Art von Aberrationen nur auf monochromatische Bilder zutraf. Seitdem wurden zwei weitere Arten identifiziert, nämlich axiale und laterale Farbfehler, die auch bei der Abbildung mit polychromatischem Licht auftreten können.

Feldkrümmung

Einfach ausgedrückt, ist die Feldkrümmung (auch als Petzval-Feldkrümmung bekannt) ein sehr häufiges Problem in der Optik, das dazu führt, dass das Zielobjekt in einem Sichtfeld nur in bestimmten Teilen des Bildes scharf erscheint, anstatt das gesamte Objekt gleichmäßig scharf darzustellen.

Dieses Bild stellt ein Siemens-Sternspeichen Ziel dar, das durch ein Objektiv aufgenommen wurde, das die Aberration der Feldkrümmung anzeigt. Wie Sie sehen, sind die Ränder trotz des flachen Bildes unscharf, während die Bildmitte schärfer und kontrastreicher ist.

Der Name dieser Aberration ist darauf zurückzuführen, dass die Schärfentiefe selbst gekrümmt ist. Aus Sicht einer Planperspektive über dieses Konzept nachzudenken kann helfen es besser zu verstehen:

Welche Objektive leiden unter Feldkrümmung?

Kurz gesagt erzeugt jedes Objektiv ein Bild mit einem gewissen Grad an Feldkrümmung, aber wie erwartet zeigen höherwertige Objektive im Allgemeinen eine weitaus geringere Feldkrümmung als günstigere. Der beste Weg, dies zu überprüfen besteht darin, sich MTF-Diagramme für ein bestimmtes Objektiv anzusehen und dabei auf den spezifischen Sensor zu achten. So stellt man sicher das man die optimale Kombination aus Sensor und Objektiv verwendet.

Sphärische Aberration

Sphärische Aberrationen treten normalerweise bei älteren und minderwertigeren Objektiven auf. Was passiert, ist das Lichtstrahlen, die durch die horizontale Achse einer Linse gehen, in verschiedenen Punkten konvergieren, je nachdem, ob sie sich nach dem Durchgang durch die Linse näher am Zentrum oder am Rand des Sichtfeldes befinden.

Ein perfektes Objektiv ohne sphärische Aberration würde es allen Strahlen ermöglichen, im selben Brennpunkt zu konvergieren.

Asphärische Linsen

Viele modernen Linsen verwenden unterschiedlich geformte Glaselemente, wie beispielsweise asphärische Linsen. Diese Glasform wurde entwickelt, um Lichtstrahlen zu korrigieren, um die Brechung zu reduzieren und Lichtstrahlen so zu leiten, dass sie im gleichen Brennpunkt konvergieren, wodurch die sphärische Aberration reduziert wird.

Astigmatismus

Astigmatismus ähnelt der Bildfeldkrümmung insofern, als er die Schärfe von Ecke zu Ecke beeinflusst, wobei schärfere Bereiche typischerweise in der Mitte des Bildes vorhanden sind. Der Unterschied besteht darin, dass sich Astigmatismus auch auf die Vergrößerung über das gesamte Bild auswirkt, sodass diese Bereiche normalerweise noch weniger klar sind als die Bildfeldkrümmung allein.

Geometrische Verzerrung

Es gibt zwei Haupttypen von geometrischer Verzerrung, die bei Objektiven zu berücksichtigen sind: optische Verzerrung und perspektivische Verzerrung.

Die optische Verzerrung ist das Ergebnis der physikalischen Beschaffenheit oder des optischen Designs von Objektiven, während die perspektivische Verzerrung mit der Positionierung des Zielobjekts relativ zum Standort der Kamera zu tun hat. Beispielsweise kann ein sehr geringer Arbeitsabstand Objekte größer erscheinen lassen, als sie sind, dies wird normalerweise direkt von der Brennweite (mm) beeinflusst.

Optische Verzerrung gibt es in drei Hauptformen: Kissenförmig, Tonnenförmig und die Schnurrbart Verzeichnung.

Kissenförmige Verzeichnung, Tonnenförmige Verzeichnung und die Schnurrbart Verzeichnung

Eine Kissenförmige Verzeichnung tritt auf, wenn das Sichtfeld des Objektivs schmaler als die Bildsensorgröße ist. Die Vergrößerung nimmt an den Ecken des Rahmens zu, drückt die Kanten nach und verzerrt gerade Linien im Bild.

Umgekehrt tritt tonnenförmige Verzerrung auf, wenn das Sichtfeld des Objektivs breiter als die Bildsensorgröße ist. Dadurch werden gerade Linien nach innen gewölbt und die Ecken von Objektiven werden zum Rand des Rahmens hin weicher.

Die Schnurrbartverzeichnung wird als die komplexeste Art der optischen Verzerrung angesehen und diese zu beheben kann sich als äußerst schwer erweisen. Dies liegt daran, dass es sowohl kissenförmige als auch tunnelförmige Verzerrungselemente aufweist. Der Versuch, das Bild in der Nachbearbeitung entweder auf Tonnen- oder Kissenverzeichnung einzustellen, kann denn jeweils einen oder anderen Effekt verstärken. Wenn Sie Probleme mit einem Objektiv haben und mit einem unserer Bildverarbeitungsexperten sprechen möchten, können Sie sich gerne jederzeit an uns wenden. 

Chromatische Abweichung

Es gibt zwei Arten von chromatischer Abweichung: axial and lateral.

Axiale chromatische Abweichungen werden durch Längenunterschiede bestimmter Lichtwellenlängen verursacht.

Diese Aberration führt zu getrübten Farben sowohl hinter als auch vor der Fokusposition. Diese Variation ist darauf zurückzuführen, dass jede Farbe einen anderen Schwerpunkt hat. Axiale chromatische Abweichungen sind an den Rändern und Ecken eines Bildes, wo die Helligkeit höher als normal ist, stärker auffällig.

Laterale chromatische Abweichungen treten auf, wenn verschiedene Wellenlängen des Lichts unterschiedlich stark vergrößert werden, was so aussieht, als ob die feinen Details auf dem Bild in entgegengesetzten Farben auf beiden Seiten der Merkmale selbst unscharf wären. Dies ist in den Roten und Cyan Farbsäumen im Bild unten zu sehen.

Dieses Bild eines Framegrabbers zeigt starke Vignettierung, Kissenverzerrung und chromatische Aberration.

Das obige Bild wurde übertrieben dargestellt, um die verschiedenen Mängel in der Bildqualität deutlicher darzustellen. Chromatische Aberration tritt häufiger in den Rändern und Ecken von Bildern auf, normalerweise bei Objektiven mit großer Blende und da dieser Fehler nur bei Farbkameras auftritt denken viele Benutzer, dass dieser unerwünschte Effekt auf die Kamera zurückzuführen ist. Tatsächlich wird diese Aberration aber durch das verwendete Objektiv verursacht.

So reduzieren oder eliminieren Sie Aberrationen in Ihrem Bild

Bei den meisten Objektiven gibt es häufig Grundwerte von Aberrationen, da es derzeit fas unmöglich ist, ein „perfektes“ Objektiv herzustellen, das Licht genauso wahrnimmt, wie es physikalisch existiert. Bildfeldwölbung, asphärische Aberrationen und chromatische Aberrationen sind schwer zu vermeiden, aber es ist möglich diese auf ein Mindestmaß zu reduzieren. Der beste Weg dies zu erreichen, ist das „Abblenden“, auch bekannt als Verkleinern der Blende am Objektiv.

Die Blendenlamellen im Inneren eines Objektivs blockieren die Außenkanten sphärischer Linsen. Durch einfaches Reduzieren der Lichtmenge, die durch das Objektiv fällt, wird das Potenzial für Aberrationen und Verzerrungen reduziert. Dies geht jedoch auf Kosten von Belichtung und Kontrast, daher ist es wichtig, die Skalen beim Einstellen der Blende auszugleichen.

Wir helfen Ihnen, die richtige Entscheidung zu treffen

Bleiben Sie weiterhin auf dem Laufenden mit dieser Reihe von Blogs, wo wir weiterhin die Optik in den Mittelpunkt stellen und auf Begriffe wie Aberration, Tonnenverzeichnung und MTF-Kurven eingehen und am Ende der Reihe einen ultimativen Leitfaden zur Auswahl des richtigen Objektivs erläutern.

Auf unseren Seiten zu Objektiven und Kameras finden Sie die besten Bildverarbeitungsprodukte auf dem Markt von branchenführenden Marken wie Kowa, VST, Computar, Tamron und Theia.