Auflösungsvermögen der Optik

Bei Messapplikationen, der Inspektion von sehr feinen Bilddetails, aber auch bei der optischen Abbildung auf sehr kleinen Kamerapixeln ist das Auflösungsvermögen einer Optik von besonderem Interesse.

Hierbei zeigen sich deutliche qualitative Unterschiede, die extrem von den verwendeten Gläsern, Vergütung der Linsen und der gesamten optischen Konstruktion abhängt. Insbesondere optische Fehler, wie sphärische, chromatische Aberration, Koma und Astigmatismus führen zu unscharfen Abbildungen, die eine deutliche Reduktion des Auflösungsvermögens hervorrufen.

Standard-Optik

Bedingt durch verschiedene optische Fehler und geringer MTF kommt es zu nicht besonders scharf aufgelösten Bildern. Die Optik kann keine feinen Strukturen sinnvoll auf den kleinen Pixeln der hoch auflösenden Kamera abbilden. Die Fehler sind besonders in den Randbereichen sehr stark.

Hoch auflösende Optik

Auch kleine Strukturen werden klar auf dem hochauflösenden Sensor abgebildet. Auch in den Randbereichen ist das Bild scharf. Ausschnitt 640x480 Pixel eines 5-Megapixel-Bildes (Kamera mit kleinen Sensorpixeln von 3,45µm)

Begrenzung der Auflösung: Beugungseffekte

Das Licht mit seinen wellencharakteristischen Eigenschaften wird an der Blendenöffnung des Objektivs gebeugt. Das Abbild eines Objektpunktes wird nicht als kein idealer Punkt, sondern als etwas unscharfer Lichtfleck dargestellt, der mit schwachen, konzentrischen Beugungsmustern umringt ist. Je stärker die Blende der Optik geschlossen wird, desto größer wird der Effekt der Überlagerung der Beugungsmuster: die Auflösung des Bildes reduziert sich!

Auflösungsbegrenzung durch Abblenden der Optik

Die Beugung des Lichts am Spalt kann nicht durch keinerlei Korrektionsmaßnahmen reduziert werden und ist nur von der Spaltbreite (Blende) und der Wellenlänge des Lichts abhängig. Eine Optik mit idealer Qualität weist keinerlei  Abbildungsfehler auf, so dass die Bildschärfe nur von der Beugung bestimmt wird (beugungsbegrenzte Optik).

In der Praxis zeigt sich jedoch, dass ein Abblenden des Objektivs um etwa 2 Blendenstufen die Qualität der optischen Abbildung merklich erhöht. Bildfehler wie Koma, Astigmatismus, sphärischer Längsfehler etc. werden durch das Abblenden reduziert, so dass der qualitative Gewinn dieses Effekts größer ist als die Reduktion der Auflösung durch den Effekt der Beugung am Spalt. Ab Blende 8 wirkt typischerweise der Beugungseffekt auflösungsreduzierend. Weitere Details werden im Kapitel "Grenzauflösung und MTF" beschrieben.

Wichtig für die Industrielle Bildverarbeitung

• Achten Sie auf eine hohe optische Qualität Ihrer Objektive. Sie sollten geeignet sein, feine Strukturen auf dem Sensor ablichten zu können. Dabei entscheidend ist vor allem die Pixelgröße des Kamerasensors. Je kleiner die Sensorpixel sind, desto höher auflösend muss die Optik sein!
• Blenden Sie die Optik um etwa 2 Blendenstufen ab, falls genügend Licht vorhanden ist. Zu wenig Licht kann eventuell mit Hilfe stärkerer Beleuchtungen oder mit einem LED-Blitzcontroller ausgeglichen werden. Ist zu viel Licht vorhanden und zu kurzes Belichten des Sensors würde zu einer Bildverschlechterung führen, kann ein eventuell ein Neutralgraufilter helfen, das Objektiv nicht zu weit abzublenden.
• Verwenden Sie eher kurzwelliges als langwelliges Licht, da die Beugungseffekte ebenfalls wellenlängenbedingt sind. Für den Bereich des sichtbaren Lichts heißt dies, dass Sie mit eher mit blauem oder grünem statt mit rotem Licht arbeiten sollten.