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Bildverarbeitungsobjektive: MTF Diagramme und Kurven

In Teil 1 und Teil 2 dieser Blog-Reihe zum Thema Bildverarbeitungsobjektive haben wir eine Reihe von Parametern behandelt, die zur Gesamtbildqualität beitragen.

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.

MTF: Optische Parameter die wichtig sind

Bei der Auswahl einer Kamera ist der EMVA 1288 Standard ein hilfreicher Standard, um die richtige Kamera für Ihre Anwendung zu bestimmen. Obwohl es keinen solchen Standard für Objektive gibt, gibt es Grundregeln für die Bewertung der potenziellen Leistung eines bestimmten Objektivs im Zusammenspiel mit industrieller Bildverarbeitung.

Die Modulationsübertragungsfunktion oder kurz MTF (Modulation Transfer Function) ist eine Berechnung der potenziellen optischen Leistung eines Objektivs. MTF Diagramme können OEMs und Endbenutzern ein besseres Verständnis der von verschiedenen Objektiven zu erwartenden optischen Qualität vermitteln und sind unglaublich wichtige Referenzen beim Studium, Vergleich und bei der Entscheidung über ein Objektiv.

Die modulare Übertragungsfunktion kombiniert den Ortsfrequenzgang eines Bildgebungssystems oder einer Komponente und misst diesen zusammen mit dem Kontrast, um Daten bereitzustellen, die die Bildqualität bei einer gegebenen Ortsfrequenz darstellen.

Was beeinflusst die MTF?

Während wir uns hauptsächlich auf Linsen konzentrieren, hat jedes Element in einem Bildverarbeitungssystem tatsächlich seine eigene MTF. Das bedeutet, dass das Objektiv zwar den größten Einfluss darauf hat, das Beste aus dem Sensor Ihrer Kamera herauszuholen (und umgekehrt), es aber auch wichtig ist, hochwertige Teile für Ihr gesamtes System zu wählen, da der Standard der Materialien und Herstellung in Ihren Komponenten, desto besser die potenzielle optische Leistung und Bildqualität.

Kabel, Framegrabber, Optische Filter, und alle anderen Komponenten, die Sie für Ihre Bildverarbeitungsanwendung benötigen, haben ihre eigene MTF. Durch Multiplizieren jeder dieser Metriken erhalten wir eine MTF für das gesamte System.

Optische Parameter wie der Arbeitsabstand (WD) sowie Wellenlänge, F# und Aberrationen wirken sich alle auf die MTF aus, daher ist es wichtig, so detailliert wie möglich zu sein und die Kontrolle über diese Faktoren zu behalten.

Was ist MTF?

Also was ist die modulare Übertragungsfunktion?

Die modulare Übertragungsfunktion kann als Reaktion auf ein periodisches alternierendes (Sinus-)Wellenmuster betrachtet werden. Es ist grundsätzlich eine Möglichkeit, die Qualität der Lichtdurchlässigkeit durch das Objektiv zu messen. Wenn das Objektiv wiederholbarer ist, ist die Lichtübertragung besser und kleinere Kontrastbereiche sind leichter zu erkennen.

Siemens Stars, All + Enhanced, Landscape, compressed

Siemens Sternspeichen werden häufig verwendet um die Bildqualität von Objektiven, Sensoren, Druckern und Bildschirmen zu testen.

Ein klares Beispiel hierfür finden Sie in den obigen Abbildungen. Der Siemensstern in „A“, „B“ und „C“ besteht aus hellen und dunklen Speichen, die in der Größe schrumpfen, wenn sie sich der Bildmitte nähern. In „A“ sind weitaus mehr Details vorhanden als in „B“ und „C“, da das Objektiv, mit dem „A“ aufgenommen wurde, einen kleineren Bereich auflösen kann.

In „A“ ist der Kontrast selbst in den kleineren Detailbereichen viel besser. Häufig wird MTF in Linienpaaren pro Millimeter (lp/mm) angegeben, das ist die Frequenz der kleinsten auflösbaren Kontrastbereiche, beispielsweise schwarze und weiße Linien im Millimeterbereich.

Ein höherer Wert von lp/mm entspricht einem höheren Detailgrad, Kontrast und einer höheren Schärfe, die vom Objektiv aufgelöst werden. Je höher dieser Wert, desto hochwertiger das Objektiv.

Aufgrund der Physik, wie Licht durch eine Linse übertragen wird, unterscheidet sich die MTF in der Mitte von den äußeren Bereichen der Linse. Aufgrund der physikalischen Natur einer Linse muss das Licht beim Durchgang verzerrt werden, um das erforderliche Bild zu erzeugen.

Aus diesem Grund neigen viele Objektivhersteller dazu ein Diagramm (wie das obige) bereitzustellen, dass die MTF an verschiedenen Punkten des Objektivs im Vergleich zur Mitte anzeigt.

Wie Sie dem obigen Diagramm entnehmen können, wird die y-Achse mit dem Modul des OTF bezeichnet, dass im Wesentlichen ein Maß für den Kontrast (%) ist. Die x-Achse wird als Ortsfrequenz bezeichnet, die im Wesentlichen gleich lp/mm ist.

Was dann jede Linie auf dem Diagramm darstellt, ist die Abfallrate im Gegensatz dazu, wenn die Ortsfrequenz ansteigt. Diese Verschlechterung der Bildqualität ist sehr verbreitet den kein Objektiv ist perfekt. Je mehr Elemente das Objektiv in seiner Anordnung enthält desto mehr potenzielle Stufen gibt es, damit der Kontrast mit zunehmender Ortsfrequenz abnimmt. Zum Beispiel hat ein Zoomobjektiv typischerweise mehr Elemente als ein Objektiv mit fester Brennweite und wird daher auf einem MTF-Diagramm im Vergleich wahrscheinlich schlechter abschneiden (vorausgesetzt, die Objektivspezifikation bleibt für beide Objektive gleich).

Da die MTF dazu neigt an verschiedenen Punkten entlang der Krümmung des Objektivs zu variieren können mehrere Grafiken die Bildqualität in verschiedenen Entfernungen von der Mitte des Objektivs widerspiegeln. Dies kann äußerst nützlich sein, insbesondere wenn große Sichtfelder im Spiel sind.

edge blur siemens star

Um dies zu demonstrieren, sieht man hier das Bild „A“, dessen Bildqualität mit zunehmender Entfernung von der Mitte des Objektivs stark abnimmt. Dies ist eine Form der Verzerrung, die als Feldkrümmung bekannt ist, aber dazu nächste Woche mehr.

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, Barrelling, Verzerrung und MTF-Kurven eingehen und am Ende der Reihe einen ultimativen Leitfaden zur Auswahl des richtigen Objektivs erläutern.

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