Farbfehlerkorrektur

Bild 3 | links: MTF Kurve des farbkorrigierten Objektivs S5LPJ1750 bei Weißlichtbeleuchtung im sichtbaren Wellenlängenbereich; rechts: MTF Kurve des monochromatisch optimierten Objektivs S5LPJ1551 (Vorgängermodell des S5LPJ1750) bei gleichen Bedingungen
Bild 3 | links: MTF Kurve des farbkorrigierten Objektivs S5LPJ1750 bei Weißlichtbeleuchtung im sichtbaren Wellenlängenbereich; rechts: MTF Kurve des monochromatisch optimierten Objektivs S5LPJ1551 (Vorgängermodell des S5LPJ1750) bei gleichen Bedingungen
Bild 3 | links: MTF Kurve des farbkorrigierten Objektivs S5LPJ1750 bei Weißlichtbeleuchtung im sichtbaren Wellenlängenbereich; rechts: MTF Kurve des monochromatisch optimierten Objektivs S5LPJ1551 (Vorgängermodell des S5LPJ1750) bei gleichen Bedingungen
Bild 3 | links: MTF Kurve des farbkorrigierten Objektivs S5LPJ1750 bei Weißlichtbeleuchtung im sichtbaren Wellenlängenbereich; rechts: MTF Kurve des monochromatisch optimierten Objektivs S5LPJ1551 (Vorgängermodell des S5LPJ1750) bei gleichen BedingungenBild: Sill Optics GmbH & Co. KG

Mit zunehmenden Verbesserungen und Entwicklungen im Bereich der industriellen Kameratechnik konnten über die Jahre hinweg die Auflösungen der Sensoren deutlich gesteigert werden. Sensoren mit Pixelgrößen von 3,5µm gehören mittlerweile zum Standard, immer häufiger werden jedoch auch kleinere Pixelgrößen eingesetzt. Wenn die Anwendungen nicht explizit Farbinformationen benötigen, werden in der industriellen Bildverarbeitung hauptsächlich monochromatische Kameras eingesetzt. Diese bieten eine sehr gute Auflösung und sind im Preis/Auflösungs-Verhältnis deutlich günstiger. Zunehmender Bedarf an Farbauswertungen steigert aber den Bedarf an hochauflösenden Farbkameras.

Bild 1 | Die Dispersion im Prisma zeigt, wie durch die wellenlängenabhängige Ausbreitung des Lichts Farbfehler in Objektiven entstehen können.
Bild 1 | Die Dispersion im Prisma zeigt, wie durch die wellenlängenabhängige Ausbreitung des Lichts Farbfehler in Objektiven entstehen können. Bild: Sill Optics GmbH & Co. KG / ©Nataniil/gettyimages.de

Klassische Farberzeugung

Klassisch wird die Farbinformation bei Farbkameras über ein Bayer-Pattern erzeugt, das als Filter über die Pixel gelegt wird. Zur Erstellung eines vollständigen Bildes in der jeweiligen Farbe, muss die fehlende Information aus den umliegenden Pixeln extrapoliert werden. Dadurch kann das Bild nur noch mit einer geringeren effektiven Auflösung aufgenommen werden. Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung von hochauflösenden Bildern mit Farbinformation ist der Einsatz von Zwei- oder Dreichip-Farbkameras. Dabei wird das weiße Licht zunächst über ein spezielles Prisma spektral zerlegt und auf jeweils einzelne Sensoren gelenkt. Hierdurch kann die maximale effektive Auflösung pro Farbbild erreicht werden. Während bei den Zwei- bzw. Dreichip-Farbkameras den Objektivherstellern der genaue Lichtweg durch das Prisma bekannt sein muss, um ein Kamera-spezifisches Objektiv zu entwickeln, können für die Farbkameras mit Bayer-Pattern reguläre Objektive verwendet werden. Bei einer Beleuchtung mit Weißlicht ist jedoch darauf zu achten, dass im Objektivdesign eine Farbkorrektur berücksichtigt wurde.

Bild 1 | Die Dispersion im Prisma zeigt, wie durch die wellenlängenabhängige Ausbreitung des Lichts Farbfehler in Objektiven entstehen können.
Bild 1 | Die Dispersion im Prisma zeigt, wie durch die wellenlängenabhängige Ausbreitung des Lichts Farbfehler in Objektiven entstehen können. Bild: Sill Optics GmbH & Co. KG / ©Nataniil/gettyimages.de

Entstehung von Farbfehlern

Farbfehler in Optiken entstehen durch die wellenlängenabhängige Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts, der sogenannten Dispersion (Bild 1). Durch geschickte Kombination von Flint- und Krongläsern kann diese im Optikdesign ausgeglichen werden. Farbfehler können lateral als Farbquerfehler und axial als Farblängsfehler auftreten. Farbquerfehler entstehen durch eine laterale Verschiebung des Fokuspunkts abhängig von der Wellenlänge (Bild 2). Meistens sind diese am Bildrand an Hell-Dunkel-Übergängen als Farbsäume erkennbar. In der Mitte des Bildes entsteht dieser Farbfehler nicht.

Befindet sich der Fokuspunkt für die unterschiedlichen Wellenlängen axial nicht an einem Punkt, sondern vor oder hinter der optimierten Fokusebene, spricht man von einem Farblängsfehler. Ein Kanal (oft Blau) ist unscharf (defokussiert), während andere Kanäle ein scharfes Bild erzeugen. Um die Farbkorrektur im Optikdesign zu berücksichtigen sind oftmals speziellere Glassorten, mehr optische Elemente und ein aufwendigeres optisches Design notwendig.Neben einem hochwertigen Optikdesign ist auch eine absorptionsarme Breitbandvergütung wichtig, die für einen möglichst hohen Anteil an transmittiertem Licht sorgt. Alle Linsen werden daher mit einem komplizierten Schichtsystem aus hoch- und niedrigbrechenden Materialien bedampft, wodurch der reflektierte Anteil bei einem Luft-Glas Übergang von ca. 4% auf ca. 0,5% reduziert wird.

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rechtes BildBild: Sill Optics GmbH & Co. KG

Farbkorrigierte Objektive

Sill Optics hat jahrzehntelange Erfahrung in der Entwicklung farbkorrigierter Objektive. Durch die Weiterentwicklung der Farbsensoren haben diese nun auch außerhalb von kundenspezifischen Projekten an Bedeutung gewonnen. Deshalb hat der Hersteller gängige Objektivserien überarbeitet und die Objektive auf Farbsensoren angepasst. Diese weisen somit minimale laterale und axiale Farbfehler auf, wodurch die polychromatischen MTF-Kurven der Objektive, und damit das Auflösungsvermögen, deutlich gesteigert wird (siehe Bild 3). Die farbkorrigierte Objektivserie ist für Sensorgrößen von ½ bis 1.5″ ausgelegt und für Pixelgrößen von 2 bis 3,45µm optimiert. Durch eine definierte Fokussierung (Arbeitsabstandsanpassung um wenige mm), ist es zusätzlich möglich, Messaufgaben im NIR-Bereich zwischen 800 und 900nm abzudecken.

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