Abbildungsqualität von Optiken messen

Um die hohen Anforderungen an die Abbildungsqualität zu erfüllen, werden Objektive anhand der Modulationsübertragungsfunktion (MTF) als wichtigstem Parameter charakterisiert und bewertet. TRIOPTICS bietet in diesem Bereich das größte Produktspektrum – die ImageMaster^®-Serie wurde speziell für die unterschiedlichsten MTF-Messungen entwickelt. Als weltweiter Standard zur Prüfung der Abbildungsqualität von Objektiven z. B. für Smartphone- und Überwachungskameras sowie für Kameramodule in Fahrzeugen führt ein breites Spektrum an Messparametern zu hoher Effizienz in Forschung und Entwicklung sowie bei der Prüfung von Prototypen und in der Produktion.

• ImageMaster^® HR 2 – Die von F&E-Labors weltweit bevorzugte MTF-Prüfstation.
• ImageMaster^® Universal – MTF-Messung im breiten Spektralbereich von UV über das sichtbare Spektrum bis hin zu IR.
• ImageMaster^® PRO – Bildqualitäts- und MTF-Prüfgeräte für die Großserienproduktion.
• ImageMaster^® AR/VR/MR – Testgeräte für Virtual Reality, Augmented Reality und Mixed Reality Optiken.
• ImageMaster^® HR TempControl – Messung der Abbildungsqualität im Temperaturbereich von -40 °C bis 120 °C.
• ImageMaster^® Cine – Prüfung und Feinabstimmung der Abbildungsqualität hochwertiger Objektive aus der Foto- und Filmindustrie.
• ImageMaster^® ENDO PRO – Prüfung der Abbildungsqualität von starren Endoskopen.
• ImageMaster^® Afocal – Prüfung der Abbildungsqualität für Teleskope, Zielfernrohre, Ferngläser und Spektive.

Kleine und mittelgroße Objektive

Kleine und mittelgroße Objektive, z. B. für Smartphone-, Foto- und Filmkameras bieten heute eine vielseitige Funktionalität und hohe Bildqualität. In sicherheitskritischen Bereichen wird zudem die Erbringung der optischen Funktionalität und Leistungsfähigkeit bei extremen Temperaturen oder anspruchsvollen Lichtverhältnissen gefordert. Hinzu kommt die Anforderung einer präzisen Messung von Prüflingen mit großen Brennweitenbereichen.

Mit der MTF-Prüfstation ImageMaster^® HR 2 lassen sich visuelle und Infrarotlinsen messen. Folgende Parameter können gemessen werden:

• MTF auf der Achse und außeraxial
• Brennweite (EFL)
• Verzeichnung
• Bildfeldwölbung
• Laterale und longitudinale chromatische Aberrationen
• Astigmatismus
• Hauptstrahlwinkel
• PSF (Punktbildfunktion)
• Veiling Glare
• Schärfentiefe
• Sichtfeld
• Anlagemaß (FFL)
• Relative Beleuchtungsstärke

Alle MTF-Messungen können mit dem ImageMaster^® HR 2 in finiter und infiniter Messposition ausgeführt werden.

Messung im erweiterten Temperatureinsatzbereich

Neben militärischen und Luft- und Raumfahrtanwendungen zählen auch in der Automobilindustrie Kameras zu den sicherheitskritischen Systemen, deren Eigenschaften in einer weiten Temperaturspanne geprüft und sichergestellt werden müssen. Der ImageMaster^® HR TempControl ermöglicht die Prüfung der Abbildungsqualität im erweiterten Temperaturbereich von -40 °C bis 120 °C. Folgende Parameter werden gemessen:

Messparameter:

• Brennweite (EFL)
• Anlagemaß (FFL)
• MTF vs. Frequenz
• MTF vs. Feld
• MTF vs. Fokus
• MTF vs. Fokus vs. Feld
• Bildfeldwölbung
• Verzeichnung
• Schärfentiefe
• Hauptstrahlwinkel

Mittlere und größere Objektive im erweiterten Spektralbereich

Für mittlere und größere Objektive, z. B. in der Kameraobjektivfertigung sowie der Entwicklung von Luftbildobjektiven oder Objektiven für die Weltraumforschung gelten höchste Anforderungen an Genauigkeit in einem breiten Spektralbereich der MTF-Messung von UV über das sichtbare Spektrum bis hin zu IR (NIR/SWIR/MWIR/LWIR). Hinzu kommen maximale Anforderungen an die Stabilität der in diesen Bereichen eingesetzten optischen Systeme.
Mit der MTF-Prüfstation ImageMaster^® Universal lassen sich Linsen und Objektive in allen Spektralbereichen von UV bis LWIR messen. Folgende Parameter können gemessen werden:

• MTF auf der Achse und außeraxial
• Brennweite (EFL)
• Verzeichnung
• Bildfeldwölbung
• Laterale und longitudinale chromatische Aberrationen
• Astigmatismus
• Hauptstrahlwinkel
• PSF (Punktbildfunktion)
• Schärfentiefe
• Sichtfeld
• Schnittweite (BFL), absolut/relativ
• Relative und absolute Transmission
• Relative Beleuchtungsstärke

Alle MTF-Messungen können mit dem ImageMaster^® Universal in finiter, infiniter und afokaler Messposition ausgeführt werden.

Messung der MTF (Modulationsübertragungsfunktion)

Die MTF (Modulationsübertragungsfunktion) ist bei der objektiven Bewertung der Abbildungsleistung optischer Systeme ein wichtiges Hilfsmittel. Mit der MTF Messung lässt sich die Abbildungsqualität von optischen Systemen neutral und quantitativ bewerten. Die MTF kann ebenfalls aus den Objektivdesigndaten berechnet werden. Konstrukteure von optischen Systemen haben so die Möglichkeit, die Systemleistung zuverlässig vorherzusagen. Die Hersteller können die Bildqualität von realen Objektiven dann mit den Erwartungen aus der Entwurfsphase vergleichen.

Modulationsübertragungsfunktion

Die Modulationsübertragungsfunktion beschreibt die Auflösungsleistung eines optischen Systems durch das Verhältnis des relativen Bildkontrasts zum relativen Objektkontrast. Wenn ein Objekt (beleuchtete Testtafel oder Strichplatte) mit einem optischen System beobachtet wird, kommt es durch Abbildungsfehler und Beugungserscheinungen zwangsläufig zu einer Qualitätsverringerung beim entstehenden Bild. Ein reales Objektiv stimmt zudem nicht vollständig mit den Konstruktionsdaten überein. Fertigungsabweichungen sowie Montage- und Ausrichtungsfehler in der Optik schwächen die Abbildungsleistung des Systems insgesamt.

Im Ergebnis erscheinen etwa helle Bereiche im Bild weniger hell als im Objekt, während dunkle Bereiche und Schattenzonen im Bild heller sind als im Original. Allgemein kann eine beleuchtete Teststruktur definiert werden durch ihre Ortsfrequenz (Anzahl der hellen und dunklen Bereiche pro Millimeter) sowie den Kontrast (Unterschied zwischen hellen und dunklen Bereichen im Bild). Üblicherweise wird die Modulationsübertragungsfunktion bei der Ortsfrequenz null auf eins normalisiert.

Bei niedrigen Ortsfrequenzen erreicht die Modulationsübertragungsfunktion einen Wert von nahezu eins (bzw. 100 Prozent) und fällt mit steigender Ortsfrequenz bis auf null ab. Dies ist die Grenze der Auflösung für ein optisches System (die sogenannte Grenzfrequenz, siehe Abbildung 2). Sobald der Kontrastwert von null erreicht ist, nimmt das Bild eine einheitliche Grauschattierung an.

Die in der Abbildung oben gezeigten periodischen Gitter werden zum Messen der MTF mittlerweile kaum mehr verwendet. In modernen MTF- Messanlagen wie dem ImageMaster^®-System kommt als Objekt ein einzelner beleuchteter Spalt auf dunklem Hintergrund zum Einsatz. Mathematisch kann ein einzelner schmaler Spalt als Summe über alle Ortsfrequenzen (Fourier-Synthese) betrachtet werden. Alle Frequenzen tragen mit derselben Amplitude (=1) zu diesem Spalt bei; die endliche Spaltbreite bleibt im Rahmen dieser Betrachtung unberücksichtigt. Der Einzelspalt wird in die Bildebene des Prüflings projiziert. Aufgrund von Beugung und Abbildungsfehlern entsteht in dieser Ebene kein perfektes Abbild des Spalts, sondern eine verbreiterte, verwaschene Darstellung. Dies ist die sogenannte Linienbildfunktion (engl. Line Spread Function, LSF).

Basierend auf einer Fourier-Analyse kann der Beitrag jeder einzelnen Ortsfrequenz zu der LSF ermittelt werden, d.h. die Amplitude zu jeder Ortsfrequenz stimmt mit dem Kontrast bei dieser Frequenz überein. Die Fourier-Analyse der Linienbildfunktion ergibt demnach die MTF des Prüflings. Durch Messung der LSF erhält man die MTF für das gesamte Ortsfrequenzspektrum. Alternativ kann als Objekt auch ein Fadenkreuz (also eine gekreuzte Anordnung von zwei Spalten) genommen werden. Die MTF kann dann gleichzeitig in zwei Bildrichtungen gemessen werden, sofern eine CCD Kamera als Sensor verwendet wird. Gebräuchlich ist auch ein Pin-hole (leuchtender Punkt) als Objekt. Das Bild eines solchen Pinholes wird als Punktbildfunktion bezeichnet. Aus dieser Funktion lassen sich die MTF-Werte für alle Richtungen innerhalb der Bildebene errechnen. Die grundlegenden Begriffe und mathematischen Beziehungen zur optischen MTF Messung sind in der ISO-Norm 9334 beschrieben.

Die Modulationsübertragungsfunktion verändert sich nicht nur in Bezug auf die Ortsfrequenz, sondern auch mit der Lage des Bildes im Bildfeld. Die MTF-Messung entlang der Symmetrieachse des optischen Systems wird als axiale Messung bezeichnet.

Für eine umfassende Charakterisierung der Abbildungsleistung eines optischen Systems muss die MTF an unterschiedlichen Positionen im Bildfeld gemessen werden. Die MTF-Messung über das Bildfeld wird als außeraxiale Messung bezeichnet. Bei der außeraxialen Messung nimmt das Bild verschiedene Objektpositionen ein und der Sensor wird an die entsprechende Bildposition bewegt.

Die MTF-Messung kann bei einer einzelnen Wellenlänge oder in einem breiteren begrenzten Spektralbereich erfolgen. Bei den Messdaten spricht man dann von monochromatischen bzw. polychromatischen MTF-Werten. Die MTF wird für gewöhnlich eindimensional ermittelt, berechnet für einen azimutalen Schnitt durch die Bildebene. Der Azimut (Drehwinkel) des Objektmusters wird sagittal genannt, wenn die Verlängerung des Messspalts durch die Bezugsachse läuft. Liegt die Verlängerung des Spaltmusters senkrecht dazu, spricht man vom tangentialen Azimut.

Bei der als endlich-endlich bezeichneten Abbildung befindet sich das Objekt direkt in der Objektebene des Prüflings und wird innerhalb dieser Ebene für verschiedene Objekthöhen verschoben. Bei der gängigeren unendlich- endlich Abbildung befindet sich das beleuchtete Objekt in der Brennebene eines Kollimators, der ein Bild davon nach Unendlich projiziert. Der Kollimator wird dann unter verschiedenen Winkeln ausgerichtet, um die MTF für die entsprechenden Objektwinkel zu messen.