Auflösung und Schärfentiefe optimal austarieren
Die wichtigsten Größen der Bildverarbeitung – Auflösung und Schärfentiefe – sind ein gegensätzliches Paar. Einseitiges Maximieren führt hier nicht zum Erfolg. Das Jonglieren mit optischen Gesetzen ist gefragt.
Auflösung in der Objektebene für unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe bei 550nm Wellenlänge. Für 450nm sind die Auflösungswerte mit 0,82; für 880nm mit 1,6 zu multiplizieren. (Bild: Vision & Control GmbH)
In der Bildverarbeitung ist oft beides notwendig: maximale Auflösung und perfekte Schärfentiefe. Aber leider arbeiten diese optischen Kerngrößen gegeneinander. Nur durch geschicktes Balancieren mit Blende, Wellenlänge und Abbildungsmaßstab erreicht man für jede Aufgabe die bestmögliche Abbildung.
Hohe Auflösung mit kurzer Wellenlänge
Selbst bei einem Objektiv ohne Abbildungsfehler ist das Auflösungsvermögen durch die Beugung begrenzt. Ein Objektpunkt wird vom optischen System immer als Beugungsscheibchen, mit einem hellen Zentrum, umgeben von hellen und dunklen Interferenzringen, abgebildet. Dessen Radius in µm ergibt sich aus dem Produkt der Wellenlänge des abgestrahlten Lichts mal der Blendenzahl und dem Faktor 1,22. Sind zwei benachbarte Bildpunkte um den Radius dieses Airy-Scheibchens verschoben, fällt das helle Zentrum des einen Punktes in das erste Minimum des anderen. Gemäß dem Rayleigh-Kriterium ist damit die Grenze ‚für die bequeme Beobachtung mit dem Auge‘ erreicht. Neben einer möglichst kleinen Blendenzahl ist die Wellenlänge der Beleuchtung von entscheidender Bedeutung. Mit grünem Licht (550nm) sind zwei benachbarte Punkte im Abstand von 5,4µm gerade noch zu unterscheiden. Unter Verwendung von blauem Licht (450nm) können sie sogar auf 4,4µm zusammenrücken. Vielfach sind die erforderliche Auflösung und das Gesichtsfeld bereits vorgegeben. Gilt es beispielsweise eine Struktur von 5µm noch kontrastreich darzustellen, muss diese so abgebildet werden, dass sie auf mindestens zwei Pixel trifft. Für eine geläufige Pixelgröße von 3,45m sind dies 7, besser noch 10m. Daher ist ein Abbildungsmaßstab von 2 erforderlich.
