Warum ist das Anpassen von Sensorgröße und Pixelgröße an die MTF wichtig?
In diesem Artikel werden wir die MTF-Kurven des Objektivs bei verschiedenen Raumfrequenzen untersuchen und nach dem Objektiv suchen, das am besten mit der Sensor- und Pixelgröße Ihrer Kamera harmoniert.
Bereiten Sie sich mit dem grundlegenden Wissen über MTF-Diagramme und deren Verwendung zur Entscheidungsfindung vor, indem Sie zunächst diesen Artikel lesen. Verständnis der Verwendung von MTF bei der Bewertung der Objektivqualität.
Anpassung der Sensorgröße an die MTF
Bei der Wahl eines Objektivs, das den Sensor Ihrer Kamera angemessen abdeckt, muss sichergestellt werden, dass die Bildqualität über den gesamten Bildausschnitt erhalten bleibt. Dazu muss ein Objektiv ausgewählt werden, das den gesamten Bildkreis des Objektivs abdeckt, der für die Sensorgröße der Kamera ausreichend ist.'
Fallstudie
Schauen wir uns die Auswahl eines geeigneten Objektivs unter Berücksichtigung des Bildkreises genauer an.
Angesichts des Objektivs Pyrite 4.0/45 und des Objektivs Pyrite 4.5/90 werden wir das geeignetere Objektiv für eine Kamera mit einer Sensorgröße von 42 mm wählen. Und für einen einfachen Vergleich nehmen wir an, dass die Blende des Objektivs auf f/5,6 festgelegt ist.'
In Anbetracht der Kamera mit Sensorgröße von 42 mm zu entsprechen:
Das Objektiv PYRITE 4.0/45 hat einen Bildkreis von 43,2 mm, wobei der volle Bildkreisbereich genutzt wird
Das Objektiv PYRITE 4.5/90 hat einen Bildkreis von 90 mm, wobei nur die Hälfte des Bildkreises genutzt wird - der schwarz gefärbte Teil wird also nicht genutzt, sondern nur die anderen MTF-Werte werden angewendet.
Ergebnisse des Objektivvergleichs - mit Bildkreisbetrachtung
Wie in der obigen Abbildung erläutert, scheinen die MTF-Diagramme des Objektivs PYRITE 4.0/45 und des Objektivs PYRITE 4.5/90 ohne Berücksichtigung des Bildkreises ähnlich zu sein.
Berücksichtigt man jedoch den Bildkreis, so ist der MTF-Wert für eine Kamera mit einer Sensorgröße von 42 mm gleichmäßiger als der des Objektivs PYRITE 4.5/90 und nicht als der des Objektivs PYRITE 4.0/45. Das macht das Objektiv PYRITE 4.5/90 in diesem Fall zur besseren Wahl.
Verhältnis zwischen Bildkreis des Objektivs und Auflösung des Objektivs
In diesem Abschnitt wird untersucht, wie solche Unterschiede in der Bildqualität zustande kommen, und es wird die Beziehung zwischen dem Bildkreis des Objektivs und der Auflösung des Objektivs untersucht.
Die beiden Fotos unten wurden von derselben Szene mit verschiedenen Objektiven aufgenommen - 50 mm Brennweite und mit derselben Blendenzahl. Beide Objektive haben den gleichen Bildkreis, der gut mit der Sensorgröße der Kamera übereinstimmt.
Allerdings gibt es einen deutlichen Unterschied in der Bildqualität zwischen den beiden Fotos. Finden wir heraus, woher dieser Unterschied kommt.
Um die Beziehung zwischen Objektivauflösungen zu verstehen, sehen Sie sich bitte die folgenden drei simulierten Bilder eines Teddybären an. Diese Bilder wurden mit derselben Kamerasensorgröße (mit einem Objektiv mit gleichem Bildkreis), aber mit unterschiedlichen Objektivauflösungen aufgenommen. Während die Sensorgröße gleich bleibt, wird die Pixelgröße mit zunehmender Auflösung kleiner. Dieser Unterschied in der Pixelgröße kann sich auf die Gesamtbildqualität und den Detailgrad auswirken.
Wenn der Kamerasensor eine geringere Auflösung hat, d. h. größere Sensorpixel, gibt es keinen signifikanten Unterschied zwischen den Bildern, die von den beiden Objektiven erzeugt werden. Je kleiner jedoch die Pixelgröße wird, desto deutlicher werden die Unterschiede in der Bildqualität. Letztendlich wird die endgültige Bildqualität der beiden Objektive mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen durch die abnehmende Pixelgröße beeinflusst.'
Über Airy Disk - Warum beeinflusst die Pixelgröße die Bildqualität?
Wenn eine Punktquelle auf der Objektseite durch ein Objektiv tritt, bildet sie auf dem Sensor eine Airy-Scheibe, anstatt als Punkt fokussiert zu werden. Diese Airy-Scheibe nimmt eine konzentrische Kreisform an. Wenn die Größe des ersten Kreises der Airy-Scheibe kleiner ist als die Größe eines Sensorpixels, wird sie durch einen einzelnen Pixel dargestellt.
Wenn also zwei Objektive mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen verwendet werden, erzeugt jedes Objektiv unterschiedlich große Airy-Scheiben auf dem Sensor.
Es gibt keinen merklichen Unterschied in der Bildqualität, wenn die Größe der Sensorpixel größer ist als diese beiden Airy-Scheibengrößen.'
Aus diesem Grund gibt es bei der Verwendung einer Kamera mit geringerer Auflösung und größeren Sensorpixeln, wie sie in älteren Kameras zu finden sind, keinen signifikanten Unterschied in der Bildqualität zwischen einem Objektiv mit hoher Auflösung und einem Objektiv mit geringer Auflösung. Wenn jedoch die Kameraauflösung steigt und die Größe der Sensorpixel kleiner wird als eine der Airy-Scheiben, führt das Objektiv mit der größeren Airy-Scheibe zu Unschärfe im endgültigen Bild.'
Anpassung der Pixelgröße an die MTF
Die Anpassung der Pixelgröße eines Kamerasensors an die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) eines Objektivs ist ein wichtiger Aspekt der digitalen Bildgebung. Ziel ist es, die Leistung des Systems zu optimieren, indem sichergestellt wird, dass das Objektiv und der Sensor gut zusammenarbeiten, um die maximale Menge an Details zu erfassen. Für eine optimale Systemleistung ist es sehr wichtig, dass sowohl das Objektiv als auch die Kamera eine ähnliche Auflösung haben.'
Verwenden wir MTF, um die geeignete Pixelgröße zu berechnen:
MTF = (lp/mm) = 1000/(2×Pixelgröße (µm)) oder Pixelgröße (µm) = 1000/(2×(lp/mm))
Wenn die MTF 50 lp/mm bei 30 % Kontrast beträgt, bedeutet dies 50 Linienpaare auf 1 mm;
Pixelgröße (µm) = 1000/(2×(50) )=10 µm
Wenn die MTF 100 lp/mm bei 30 % Kontrast beträgt, bedeutet dies 100 Linienpaare auf 1 mm;
Pixelgröße (µm) = 1000/(2×(100) )=5 µm
Wenn ein Objektiv eine MTF-Leistung von 50 lp/mm aufweist, kann es an eine Pixelgröße von 10 µm angepasst werden. Hat ein Objektiv eine MTF-Leistung von 100 lp/mm, ist es für Kameras mit 5 µm Pixelgröße geeignet.
Eine ideale Auflösung bedeutet, dass die Grenzen zwischen schwarzen und weißen Linien absolut scharf sind. Natürlich weicht die Theorie immer von der Realität ab, und so verschwimmen diese Grenzen in der Realität zu Grautönen von Weiß zu Schwarz. Je geringer die Auflösung des Objektivs ist, desto weniger scharf ist der Übergang. Und je weniger scharf der Übergang ist, desto geringer ist der "Kontrast".
Bei der Betrachtung der Auflösung, ob sie nun in Megapixeln, Linienpaaren pro Millimeter oder Metern gemessen wird, ist es wichtig, auch den Kontrast zu berücksichtigen. Die Hersteller geben in der Regel einen Kontrast von 30 % an, was ein gutes Gleichgewicht für die Bildschärfe darstellt. Das bedeutet, dass ein MTF-Wert von 30 % ein guter Standard für die Beurteilung der Schärfe ist.'
Praktische MTF (lp/mm) = 1/(2 x Pixelgröße x 0,7)
Fallstudie:
Werfen wir einen genaueren Blick auf die Kamera mit einer Pixelgröße von 7 µm. Wie gut passt das Objektiv Pyrite 4.5/90 zu dieser Kamera?
Wenn die MTF 40 lp/mm bei 68 % Kontrast beträgt, bedeutet dies 40 Linienpaare in 1 mm;
Pixelgröße (μm) = 1000/ 2 x 40 x 0,7 = 8,75 μm
Wenn die MTF 80 lp/mm bei 44 % Kontrast beträgt, bedeutet dies 80 Linienpaare in 1 mm;
Pixelgröße (μm) = 1000 / 2 x 80 x 0,7 = 4,375 μm
Basierend auf der Auswertung mit der MTF-Kurve wird das Objektiv Pyrite 4.5/90 die Anforderungen erfüllen, wenn die Anwendung 40 lp/mm bei 60 % Kontrast erfordert.
Wenn die Anwendung jedoch 80 lp/mm mit einem Kontrast von über 50 % erfordert, ist das Pyrite 4.5/90 nicht geeignet. Dies kann die Gesamtbildqualität beeinträchtigen, da weniger Details erfasst werden.
Schlussfolgerung
Das Verständnis der MTF-Eigenschaften eines Objektivs in Verbindung mit der Sensorgröße und den Pixeleigenschaften ist für das Erreichen einer optimalen Bildqualität entscheidend. Die Anpassung der MTF-Kurven des Objektivs an die Sensor- und Pixelgröße der Kamera hilft, die Kompatibilität sicherzustellen und die Bildschärfe zu maximieren.'
Achten Sie bei der Auswahl eines Objektivs auf dessen Bildkreisabdeckung. So stellen sie sicher, dass der gesamte Sensorbereich für eine gleichbleibende Bildqualität über das gesamte Bild genutzt wird. Ideal ist ein Objektiv, das den gesamten für die Sensorgröße der Kamera erforderlichen Bildkreis abdeckt.'
Beim Vergleich von Objektiven, die sich allein auf MTF-Diagramme stützen, können die Objektive ähnlich leistungsfähig erscheinen. Es ist wichtig, das Objektiv mit dem Bildkreis zu wählen, das am besten zur Sensorgröße passt und in der Regel eine bessere Bildqualität bietet.
Das Verhältnis zwischen Objektivauflösung und Bildkreis wirkt sich auf die Bildqualität aus. Mit abnehmender Pixelgröße werden die Unterschiede in der Objektivauflösung deutlicher und wirken sich auf die Detailgenauigkeit des finalen Bildes aus.
Die Anpassung der Sensorpixelgröße an die MTF des Objektivs ist wichtig für die Optimierung der Systemleistung. Berechnen Sie die geeignete Pixelgröße auf der Grundlage der MTF-Leistung des Objektivs, um die beste Bildqualität zu gewährleisten.'
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Verständnis der Beziehung zwischen Objektiv-MTF, Sensorgröße und Pixeleigenschaften für die Auswahl des richtigen Objektivs für Ihr Kamerasystem und die Erzielung der bestmöglichen Bildqualität unerlässlich ist.
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