Das Zünglein an der Waage
Das optimale Testchart für Ihre Zwecke - Teil 1/2
Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser. Diese Redewendung könnte als Hauptargument für den Einsatz von Bildverarbeitungssystemen dienen. Doch mit welchen Methoden und Mitteln kann deren Leistungsfähigkeit überprüft werden? Diese zweiteilige Serie soll Aufschluss über die verschiedenen Testcharts (Targets) geben, die zur Überprüfung der optischen Eckdaten eines BV-Systems herangezogen werden können. Im ersten Teil der Serie werden die Themen Auflösung und Verzeichnung behandelt, während im zweiten Teil u.a. Tiefenschärfe und Telezentrie Thema sind.
Bild: Edmund Optics GmbH
Bild: Edmund Optics GmbHAuflösung und Kontrast
Auflösungstargets sind sehr hilfreich, um die Abbildungsleistung von BV-Systemen zu charakterisieren und auf Inkonsistenzen zu überprüfen. Die folgenden Fragen können bei der Wahl des für Ihre Zwecke optimalen Targets als Orientierung dienen:
- • Wie groß ist die maximal zu vermessende Auflösung?
- • An welchen Stellen des Sichtfeldes (Field of View, FoV) soll die Abbildungsleistung kontrolliert werden? Reicht die Überprüfung in der Mitte des FoV, oder enthalten auch die Ränder oder sogar die Ecken des Bildes relevante Informationen, die mit guter Auflösung erfasst werden sollen?
- • Wie groß ist das Sichtfeld? Wird ein ebenso großes Target benötigt, um die Performance mit einer einzelnen Messung zu charakterisieren? Oder ist es bereits hinreichend, ein kleineres Target an verschiedenen Stellen des Bildfelds einzeln zu vermessen?
- • Wie flexibel soll das Target eingesetzt werden? Geht es darum zu verifizieren, dass die Auflösungsgrenze eines fest definierten Systems erreicht wird, oder soll die Auflösungsgrenze verschiedener Systeme bestimmt werden?
- • Wie komplex kann oder soll die Auswertung erfolgen? Geht es um eine einfache Sichtkontrolle (Pass/ Fail), oder sollen die Daten mittels Softwarealgorithmen ausgewertet und nachvollziehbar hinterlegt werden?
- • Wird ein Positiv- oder ein Negativ-Target benötigt? Positiv bedeutet hier, dass die zur Auswertung verwendete Struktur nicht lichtdurchlässig und auf einem transparenten Substrat aufgebracht ist. Bei Negativ-Targets verhält es sich umgekehrt.
Bild: Edmund Optics GmbHUSAF 1951 Target
Eine Vielzahl unterschiedlicher Targets hat sich etabliert, um den Anforderungen der verschiedensten Anwendungen gerecht zu werden. Das wohl bekannteste Hilfsmittel ist das USAF 1951 Target (Bild 2), welches aus in Gruppen und Elementen geordneten Linienpaaren besteht. Jedes Element entspricht einer spezifischen Auflösung und enthält jeweils drei horizontale und vertikale Linien, anhand derer die Auflösungsgrenze oder der Kontrast bei einer bestimmten Auflösung in tangentialer und sagittaler Ebene ermittelt werden kann. Die Auflösung des Elements X aus der Gruppe Y in Linienpaaren pro mm (lp/mm) ergibt sich dabei durch die Formel 2^(Y+(X-1)/6). Die Umrechnung zwischen Linienpaaren und Mikrometern erfolgt über Auflösung [µm] = 1/2/Auflösung[lp/mm] x 1.000. Positiv- und Negativ-Targets werden in verschiedenen Größen und bis zu einer Auflösung von 645lp/mm (0,78µm) angeboten, entsprechend Gruppe 9, Element 3. Durch die spiralförmige Anordnung mit zur Mitte hin kleiner werdenden Strukturen eignen sich diese Targets hervorragend zur Charakterisierung von Zoomobjektiven. Hieraus resultiert jedoch auch die größte Einschränkung, da zur vollständigen Überprüfung der Auflösung über das gesamte FoV mehrere Einzelmessungen notwendig sind. Weiterhin ist die Justage eines BV-Systems auf die über das gesamte Sichtfeld gemittelte beste Fokussierung kaum möglich. Abhilfe schaffen hier Testcharts, die aus mehreren, über das gesamte Sichtfeld verteilten USAF Targets bestehen.
Bild: Edmund Optics GmbHSiemensstern und Ronchi-Targets
Ein weiteres nützliches Target ist der sogenannte Siemensstern, ein Kreis mit abwechselnd schwarzen und weißen Segmenten, die sich zum Kreismittelpunkt verjüngen. Anders als im Vergleich zum USAF Target, ist man durch den kontinuierlichen Verlauf des Musters nicht auf diskrete Auflösungswerte festgelegt. Die quantitative Auswertung zur Ermittlung der tangentialen und sagittalen Abbildungsleistung gestaltet sich jedoch aufwendiger. Auch für Siemenssterne empfiehlt sich die Verwendung von Matrixtargets, um das gesamte Bildfeld mit einer einzigen Messung vollständig zu charakterisieren. Bild 1 zeigt wie ein Siemensstern-Matrixtarget beim qualitativen Vergleich zweier Objektive eingesetzt werden kann. Bei Ronchi-Targets ist über der gesamten Apertur ein Strichgitter mit fester Frequenz aufgebracht (Bild 3). Hiermit kann beispielsweise überprüft werden, ob ein bereits fertig justiertes Bildverarbeitungssystem diese spezifische Frequenz über dem gesamten Bildfeld auflösen kann - allerdings nur in einer Ebene. Zur vollständigen Überprüfung der Bildqualität muss eine zweite Messung mit dem um 90° gedrehten Target vorgenommen werden. Ronchi-Gitter sind in verschiedenen Größen und Frequenzen verfügbar.
Verzeichnung
Insbesondere bei Objektiven mit kurzer Brennweite ist die Verzeichnung ein kritischer Parameter, der hinsichtlich der Eignung eines Objektivs für eine spezifische Anwendung entscheidend ist. Man versteht hierunter den Effekt, dass die Vergrößerung nicht über dem gesamten Bildbereich konstant ist, sondern zwischen Bildmitte und Bildrand variiert. Sofern diese Variation zum Bildrand monoton verläuft, unterscheidet man zwischen kissen- oder tonnenförmiger Verzeichnung. Zu beachten ist hierbei, dass die Verzeichnung von der verwendeten Wellenlänge abhängt und keineswegs monoton verlaufen muss. Insbesondere bei telezentrischen Objektiven kann die Verzeichnung einen komplexeren Verlauf annehmen. Für Anwendungen mit hohem Anspruch an Präzision, sei es die Vermessung von Bauteilen oder die Kalibration eines Stereokamerasystems, empfiehlt es sich daher bei der Auswahl des Objektivs die Verzeichnungskurve zu berücksichtigen und nicht nur den üblicherweise angegebenen prozentualen Abbildungsfehler am Rand des Bildfelds als Entscheidungskriterium heranzuziehen. Dieser wird wie in Bild 4 gezeigt ermittelt. Mit Hilfe eines Verzeichnungstargets, bestehend aus einer regelmäßigen Anordnung von Linien oder Punkten, wird die tatsächliche Position eines Punkts am Bildrand (AD) mit der theoretisch zu erwartenden Position (PD) in Relation gebracht. Die prozentuale Abweichung ergibt sich zu (AD-PD)/PD. Die häufiger auftretende tonnenförmige Verzeichnung wird per Konvention mit einem negativen Vorzeichen charakterisiert.
Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser. Diese Redewendung könnte als Hauptargument für den Einsatz von Bildverarbeitungssystemen dienen. Doch mit welchen Methoden und Mitteln kann deren Leistungsfähigkeit überprüft werden? Diese zweiteilige Serie soll Aufschluss über die verschiedenen Testcharts (Targets) geben, die zur Überprüfung der optischen Eckdaten eines BV-Systems herangezogen werden können. Im ersten Teil der Serie werden die Themen Auflösung und Verzeichnung behandelt, während im zweiten Teil u.a. Tiefenschärfe und Telezentrie Thema sind.
Bild: Edmund Optics GmbHBild: Edmund Optics GmbHAuflösung und Kontrast
Auflösungstargets sind sehr hilfreich, um die Abbildungsleistung von BV-Systemen zu charakterisieren und auf Inkonsistenzen zu überprüfen. Die folgenden Fragen können bei der Wahl des für Ihre Zwecke optimalen Targets als Orientierung dienen:
- • Wie groß ist die maximal zu vermessende Auflösung?
- • An welchen Stellen des Sichtfeldes (Field of View, FoV) soll die Abbildungsleistung kontrolliert werden? Reicht die Überprüfung in der Mitte des FoV, oder enthalten auch die Ränder oder sogar die Ecken des Bildes relevante Informationen, die mit guter Auflösung erfasst werden sollen?
- • Wie groß ist das Sichtfeld? Wird ein ebenso großes Target benötigt, um die Performance mit einer einzelnen Messung zu charakterisieren? Oder ist es bereits hinreichend, ein kleineres Target an verschiedenen Stellen des Bildfelds einzeln zu vermessen?
- • Wie flexibel soll das Target eingesetzt werden? Geht es darum zu verifizieren, dass die Auflösungsgrenze eines fest definierten Systems erreicht wird, oder soll die Auflösungsgrenze verschiedener Systeme bestimmt werden?
- • Wie komplex kann oder soll die Auswertung erfolgen? Geht es um eine einfache Sichtkontrolle (Pass/ Fail), oder sollen die Daten mittels Softwarealgorithmen ausgewertet und nachvollziehbar hinterlegt werden?
- • Wird ein Positiv- oder ein Negativ-Target benötigt? Positiv bedeutet hier, dass die zur Auswertung verwendete Struktur nicht lichtdurchlässig und auf einem transparenten Substrat aufgebracht ist. Bei Negativ-Targets verhält es sich umgekehrt.
Edmund Optics GmbH
Dieser Artikel erschien in inVision 2 2016 - 20.04.16.Für weitere Artikel besuchen Sie www.invision-news.de
