Degradierungseffekte
Um die Wirkung der Wellenfrontfehler des Filters auf das optische System eines BV-Systems zu zeigen, wurden Filter mit unterschiedlichen Qualitäten an zwei Standardobjektiven simuliert – zum einen ein Objektiv mit 35mm Brennweite und Blende 1,9, zum anderen ein 100mm-Objektiv mit Blende 2,6, beides gängige Typen in der Bildverarbeitung. Mittels der Optik-Simulationssoftware Zemax können MTF-Kurven von Objektiven mit vorgesetzten Filtern erzeugt werden, die verschiedene Wellenfrontfehler aufweisen. Hierzu wird der Wellenfrontfehler mit der üblichen Referenzwellenlänge 632,8nm des Interferometers simuliert. Dieser wird danach in die Basiseinheit Millimeter umgewandelt und dann mit der MTF des Objektivs verrechnet. Die Bilder 3 und 4 zeigen Kurven, gerechnet für einen 2/3″-Sensor (6,6mmx8,8mm) mit einem Bildkreis von 11mm und einer Pixelgröße von 7µm. Dabei zeigt die blaue Kurve die MTF in der Bildmitte. Die Leistung in der Bildhöhe ist grün und in der Bildbreite rot dargestellt. Die gelbe Kurve zeigt die MTF in der Bildecke. Für jede Achse werden zwei Kurven dargestellt, da die MTF mit einem Testbild gemessen wird, welches sagittale (S) und tangentiale (T) Strukturen aufweist. (s.“Quality Criteria of Lenses“, http://bit.ly/r1l2RG). Je größer die Differenz zwischen den MTF-Kurven ist, desto größer ist auch der Astigmatismus des Objektivs. Kürzere Brennweiten (z.B. 35mm) mit einer Öffnung von f/1,9 sind weniger empfindlich für Filterfehler (Bild 3a), denn die Durchstoßfläche der Eingangsstrahlen je Pixel auf dem Filter ist in Bezug auf die Gesamtfläche des Filters relativ klein. Deshalb muss ein Filter mit niedriger Qualität nicht automatisch zu einer spürbar schlechteren Bildqualität führen. Es bedarf in diesem Fall eines beträchtlichen Filterfehlers, bevor das Objektiv nachteilig beeinflusst wird, die MTF bei 47LP/mm also unter 30% fällt. Erst wenn der durchgängige Wellenfrontfehler 4 Lambda über die Gesamtfläche übersteigt, kommt es zu signifikant schlechteren Bildergebnissen (Bild 3b). Durch den Einsatz eines Filters von minderer Qualität (z.B. 4 Lambda Wellenfrontdeformation) wird die Bildqualität also auch bei einem Objektiv mit kleiner Eintrittspupille beeinträchtigt, jedoch in geringerem Maße, da nur ein Teil der durch die schlechte Wellenfront deformierten Strahlen durch das Objektiv geht. Bei einem 100mm-Objektiv mit großer Blende f=2,6 ist der Durchmesser der Eintrittspupille größer als beim 35mm-Objektiv aus dem vorherigen Beispiel und damit auch der Einfluss der Filtergüte auf die Bildqualität. Ein Objektiv mit 100mm Brennweite, eingestellt auf eine optische Vergrößerung von 1,0 bei Blende 2,6 wird signifikant durch die Qualität des Filterglases beeinflusst. Grund ist, dass beim 100mm-Objektiv mehr Lichtwellen mit durch den Filter gestörter Wellenfront durch das Objektiv gehen als beim 35mm-Objektiv. So erfüllt ein 100mm-Objektiv mit einem nahezu perfekten Filter von Lambda/20 Wellenfrontfehler gerade so die Vorgabe 30% MTF bei 47LP/mm. Bei höheren Vergrößerungen wird die Verzerrung stärker und daher kritischer (Bild 4a). Eine deutliche Verschlechterung der Bildqualität ergibt sich schon beim gleichen 100mm-Objektiv mit einem Filter mit 1 Lambda Wellenfrontdeformation (Bild 4b). Wird ein Filter mit 1,5 Lambda Wellenfrontdeformation verwendet, ist der Verlust an Bildqualität dramatisch (Bild 4c). In diesem Beispiel ist das Objektiv sehr empfindlich in Bezug auf den Wellenfrontfehler eines vorgeschalteten Filters, sodass selbst ein moderater Fehler von 1,5 Lambda, wie er für Filter mittlerer bis guter Qualität Standard ist, nicht ausreicht. Die Gesamtabbildung wird maßgeblich negativ beeinflusst. Nur mit einem nahezu perfekten Filter kann eine Verschlechterung der Bildqualität vermieden werden.
Auswahl eines Filters
Optische Systeme, die Objektive mit kleinen Blenden und kurzen Brennweiten einsetzen, können Filter mit niedriger Qualität tolerieren. Wenn Objektive mit größeren Blenden, längeren Brennweiten, Sensoren mit Pixeln kleiner 7µm oder höheren Vergrößerungen verwendet werden, nimmt der Filterfehler Einfluss auf die Leistung des Objektivs und zerstört die Bildqualität. In solchen Fällen ist besondere Aufmerksamkeit auf die Wahl des Filters zu legen. Es ist keine Frage, dass die Qualität eines Filters das Bild eines Bildverarbeitungssystems beeinflusst. Viele Filterhersteller veröffentlichen aber leider kaum Spezifikationen über die optische Qualität ihrer Filter. Selbst auf Nachfrage ist es oft schwierig, entsprechende Informationen zu erhalten. Es scheint, als ob die Hersteller selbst die Parameter nicht kennen, obwohl die Wellenfront leicht am Interferometer gemessen werden kann. Mit der Bereitstellung dieser Daten helfen Filteranbieter ihren Kunden, ihr optisches System optimal zu spezifizieren. Wird der Filter in der Anwendung nicht vorab mit berücksichtigt, muss der Entwickler die Auswirkungen mit und ohne Filter erst mühsam empirisch analysieren und so austesten, mit welchem Filter sich ein möglicher Verlust der Bildqualität vermeiden lässt.
