Aufbruchstimmung

Farbkorrigierte SWIR-Objektive

Bisher haben die relativ hohen Kosten von SWIR-Detektoren nur eine eingeschränkte Nutzung des Spektralbereichs für die Bildverarbeitung erlaubt. In den letzten Jahren haben sich allerdings die Preise und die Leistung der Detektoren deutlich verbessert. Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) Focal Plane Arrays haben diesen Fortschritt vorangetrieben.
Dabei spielen vor allem zwei Aspekte eine wesentliche Rolle: (a) Zum einen hat sich die Pixelgröße von InGaAs-Detektoren enorm verringert, sodass nun höhere Auflösungen möglich sind. (b) Zum anderen wurden die bisherigen sperrigen, teuren und anfälligen extern gekühlten Detektoren durch thermoelektrisch gekühlte bzw. ungekühlte Detektoren ersetzt. Die Verfügbarkeit von Hochleistungsdetektoren steigert nun den Bedarf an ebenso leistungsfähigen Objektiven. Obwohl sich die SWIR-Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Spektrums befinden, transmittieren viele herkömmliche Objektive im SWIR-Spektrum. Theoretisch könnten also für SWIR-Kameras Objektive für den sichtbaren Bereich verwendet werden, bei denen die Antireflexbeschichtung für SWIR optimiert wurde, aber die Leistung dieser Objektive wäre trotzdem noch weit vom Ideal entfernt. Die beste Lösung für eine hervorragende Leistung ist die Nutzung von speziell für SWIR entwickelten Objektiven. Die chromatische Aberration kann gesenkt werden, indem farbkorrigierte Objektive verwendet werden. Die Steigerung der Abbildungstreue wird zudem erreicht, wenn Objektive mit hoher Modulationsübertragungsfunktion (MTF) zum Einsatz kommen.

Farbkorrigierte Linsen

Die Krümmungen der einzelnen Linsenelemente und der Brechungsindex des Linsenmaterials bestimmen die Parameter der optischen Leistung. Leider verändert sich der Brennpunkt einer Linse je nach Wellenlänge. Fokussiert man z.B. ein SWIR-System mit einer Linse bei 980nm, ist es bei 1,55µm nicht mehr im Fokus. Optikdesigner minimieren die chromatische Aberration, indem sie Verbundlinsen oder Multi-Element-Linsen verwenden. Dies sind Systeme, die aus zwei oder mehreren einfachen Linsen verschiedener Formen und Materialien bestehen. Beim Herstellen von Verbundlinsen wählen Optikdesigner Materialien, deren Brechungsindexvariation komplementär ist. Wird z.B. die Brennweite der ersten Linse mit zunehmender Wellenlänge größer, ist die zweite Linse so konstruiert, dass die Brennweite mit zunehmender Wellenlänge kürzer wird. Somit können Variationen zum Teil gegenseitig kompensiert werden, was zu einer guten Leistung über einen breiten Spektralbereich führt. Traditionell werden optische Gläser in zwei Gruppen eingeteilt: Kronglas und Flintglas. Kronglas hat einen niedrigen Brechungsindex und eine geringe Dispersion, d.h. eine relativ kleine Brechungsindexvariation über den gewünschten Wellenlängenbereich. Flintglas hat generell einen höheren Brechungsindex und eine höhere Dispersion. In farbkorrigierten Verbundlinsen kombinieren die Hersteller Kron- und Flintglas, um Linsen zu erzeugen, die unempfindlich gegenüber Wellenlängenänderungen sind. Leider verhalten sich die meisten Gläser im SWIR-Bereich wie Flintgläser, wodurch die Möglichkeiten für Linsenhersteller beschränkt sind. Noch wichtiger ist, dass ein Optikdesigner, der einfach nur einen Linsenaufbau vom sichtbaren in den SWIR-Bereich übertragen will, feststellen wird, dass die Leistung stark leidet. Dieses Problem kann gelöst werden, durch Nutzung herkömmlicher kristalliner und diffraktiver Elemente, die allerdings sehr kostenintensiv sind. Eine effizientere Lösung ist es, optische Gläser sehr sorgfältig auszuwählen und Breitbandbeschichtungen aufzubringen. Dadurch erhält man gut korrigierte, kostengünstige und für die Großserie geeignete SWIR-Objektive.

Modulationsübertragungs- funktion

Die Aufgabe eines Objektivs ist das Übertragen von Umgebungsinformationen auf einen Detektor. Diese Fähigkeit basiert auf zwei Faktoren: Auflösung und Kontrast. Die Auflösung gibt die minimale Größe von Bildmerkmalen an und wird begrenzt durch die Beugungsgrenze, eine physikalische Einschränkung proportional zur Wellenlänge und umgekehrt proportional zum Durchmesser der Objektivöffnung. Bild 1 zeigt die Abweichung der Beugungsgrenze in Abhängigkeit von Blendenzahl und der Wellenlänge. Der Kontrast gibt den Unterschied zwischen hellen und dunklen Merkmalen eines Bildes an. Sowohl Auflösung als auch Kontrast spiegeln sich in einer Metrik namens Modulationsübertragungsfunktion (MTF) wider. Die MTF ist das Verhältnis vom Kontrast des Objekts zum Kontrast im Bild. Sie ist eine Funktion der Ortsfrequenz, die normalerweise in Linienpaaren pro Millimeter (Lp/mm) gemessen wird. Laut Definition beträgt die MTF 100% bei einer Ortsfrequenz von Null. Dies ist der Fall, wenn der gesamte Bereich über eine gleichmäßige Intensität verfügt. Die MTF sinkt auf Null, wenn die Ortsfrequenz sich auf dem Niveau befindet, auf dem das Objektiv keinen effektiven Kontrast mehr produziert. Sogar bei einem idealen Objektiv sinkt der MTF-Wert an der Beugungsgrenze auf Null. In Bild 2 ist zu sehen, wie das Verhalten der MTF zwischen diesen beiden Extremen die Abbildungsleistung des Objektivs bestimmt. Quantitativ kann man den Effekt der MTF in einem Bild als unscharfes oder scharfes Detail erkennen, z.B. die Unschärfe an den Rändern zwischen hellen und dunklen Bildmerkmalen. Die MTF repräsentiert die gesamte Objektivleistung, einschließlich Effekten wie Linsenfehler, Materialauswahl und chromatische Fokusverschiebung. Jedes Element in der Bildkette wird durch seine MTF repräsentiert, sodass man die Leistung eines Systems voraussagen kann, indem man die MTFs seiner einzelnen Bestandteile kombiniert.

Fazit

In der Vergangenheit hatten Hersteller von SWIR-Systemen zwei Möglichkeiten für die Objektivauswahl: teure, kristalline Materialien mit hoher Leistungsfähigkeit oder günstige, neu beschichtete Objektive, die ursprünglich für den sichtbaren Bereich gedacht waren, mit niedriger Leistungsfähigkeit. Heutzutage haben die Hersteller deutlich bessere Alternativen: kostengünstige, hoch leistungsfähige Objektive aus Glas speziell konzipiert für die Nutzung in SWIR-Systemen. Gut durchdachte, farbkorrigierte SWIR-Objektive bieten optimale MTF und dadurch die beste Bildqualität zu einem Preis, der neue industrieller Anwendungen ermöglicht.