Bildverarbeitungsoptik: Aberrationen und Verzerrungen

Machine Vision Optik: Aberrationen & Verzerrungen

In Teil 1 und Teil 2 dieser Blogserie über Machine Vision Optik haben wir eine Reihe von Parametern behandelt, die zur Gesamtbildqualität beitragen. Wir haben uns auch grundlegend mit MTF-Diagrammen und deren Funktionsweise befasst.

Im Blog dieser Woche setzen wir uns mit der Machine Vision Optik fort, indem wir verschiedene Aberrationen und Verzerrungen untersuchen und diese kritischen Konzepte hervorheben, die bei der Auswahl von Objektiven für Machine Vision Systeme zu berücksichtigen sind.

Aberrationen

Es ist unerlässlich, dass Vision System Designer und Integratoren alle möglichen Wege berücksichtigen, auf denen Licht durch ein Objektiv verzerrt werden kann. Ohne diese Voraussicht könnten Sie Geld für ein Objektiv verschwenden, das nicht für die Kamera optimiert ist, auf die es aufgeschraubt ist, obwohl es von hoher Qualität ist.

Bereits 1857 wurden fünf Schlüsselta-Typen von Linsenaberrationen definiert: Bildfeldwölbung, sphärische Aberration, Astigmatismus, Verzeichnung und Koma. Natürlich gab es zu diesem Zeitpunkt noch keine Farbbilder (obwohl es nur vier Jahre später, 1861, der Fall sein sollte), so dass diese Aberrationstypen nur für monochromatische Bilder galten. Seitdem wurden zwei weitere Typen identifiziert: axiale und laterale chromatische Aberrationen, die auch bei der Bildgebung mit polychromatischem Licht auftreten können.

Bildfeldwölbung

Vereinfacht ausgedrückt ist die Bildfeldwölbung (auch bekannt als Petzval-Bildfeldwölbung) ein sehr häufiges Problem in der Optik, das dazu führt, dass das Zielobjekt innerhalb eines Sichtfeldes nur in bestimmten Teilen des Bildes scharf erscheint, anstatt dass das gesamte Objekt gleichmäßig scharf erscheint.

Dieses Bild stellt ein Siemens-Sternspeichenziel dar, das durch ein Objektiv aufgenommen wurde, das die Aberration der Bildfeldwölbung aufweist. Wie Sie sehen können, sind trotz eines flachen Bildes die Kanten unscharf und außerhalb des Fokus, während die Bildmitte schärfer ist und einen besseren Kontrast aufweist.

Der Name dieser Aberration rührt daher, dass die Schärfentiefe selbst gekrümmt ist. Eine Betrachtung dieses Konzepts aus der Planansicht kann helfen, es in der Praxis zu verstehen:

Welche Objektive leiden unter Bildfeldwölbung?

Die kurze Antwort ist: die meisten, wenn nicht alle. Jedes Objektiv erzeugt ein Bild mit einem gewissen Grad an Bildfeldwölbung, aber wie erwartet zeigen höherwertige Objektive im Allgemeinen eine viel geringere Bildfeldwölbung als billigere. Der beste Weg, dies zu überprüfen, ist, die MTF-Diagramme für ein bestimmtes Objektiv zu betrachten und dabei auf den spezifischen Sensor zu achten, der zur Darstellung der Daten verwendet wurde, da dies normalerweise ein optimaler Sensor für das Objektiv ist.

Sphärische Aberration

Sphärische Aberrationen treten meist bei älteren und minderwertigen Objektiven auf. Dabei konvergieren Lichtstrahlen, die durch die horizontale Achse eines Objektivs verlaufen, an verschiedenen Punkten, je nachdem, ob sie sich näher am Zentrum oder an der Peripherie des Sichtfeldes befinden, nachdem sie das Objektiv durchlaufen haben.

Ein perfektes Objektiv, das keine sphärische Aberration aufweist, würde alle Strahlen am selben Brennpunkt konvergieren lassen.

Asphärische Objektive

Viele moderne Objektive verwenden unterschiedlich geformte Glaselemente, wie z. B. asphärische Linsen. Diese Glasform ist dazu konzipiert, Lichtstrahlen zu korrigieren, um die Brechung zu reduzieren und Lichtstrahlen dazu zu leiten, im selben Brennpunkt zu konvergieren, wodurch sphärische Aberrationen reduziert werden.

Astigmatismus

Astigmatismus ist der Bildfeldwölbung ähnlich, da er die Schärfe von Ecke zu Ecke beeinflusst, wobei schärfere Bereiche typischerweise in der Mitte des Bildes vorhanden sind. Der Unterschied besteht darin, dass Astigmatismus auch die Vergrößerung über das Bild hinweg beeinflusst, so dass diese Bereiche in der Regel noch weniger Klarheit aufweisen als bei der Bildfeldwölbung allein.

Geometrische Verzerrung

In der industriellen Bildverarbeitung gibt es zwei wichtige Arten von geometrischen Verzerrungen zu beachten: die optische Verzerrung und die perspektivische Verzerrung.

Optische Verzerrung ist das Ergebnis der physikalischen Zusammensetzung oder des optischen Designs von Objektiven, während die perspektivische Verzerrung mit der Positionierung des Zielobjekts relativ zur Kamera zusammenhängt. Zum Beispiel kann ein sehr kurzer Arbeitsabstand Objekte größer erscheinen lassen, als sie sind; dies wird normalerweise direkt durch die Brennweite (mm) beeinflusst.

Optische Verzerrungen gibt es in drei Hauptformen: Tonnenform (oder Tonnenverzeichnung), Kissenform und Moustache/Schnurrbart.

Kissenförmige Verzeichnung, tonnenförmige Verzeichnung und Moustache-Verzeichnung

Die kissenförmige Verzeichnung tritt auf, wenn das Sichtfeld des Objektivs enger ist als die Größe des Bildsensors. Die Vergrößerung nimmt an den Bildecken zu, drückt die Ränder nach innen und verzerrt gerade Linien im Bild.

Umgekehrt tritt die tonnenförmige Verzeichnung auf, wenn das Sichtfeld des Objektivs breiter ist als die Größe des Bildsensors. Dies führt dazu, dass gerade Linien nach innen gekrümmt werden und die Ecken von Objekten zum Rand des Bildes hin weicher werden.

Die Moustache-Verzeichnung gilt weithin als die anspruchsvollste und am schwierigsten zu handhabende Art der optischen Verzeichnung. Dies liegt daran, dass sie Elemente sowohl der kissenförmigen als auch der optischen Verzeichnung aufweist. Der Versuch, das Bild in der Nachbearbeitung für entweder Tonnen- oder Kissenverzeichnung anzupassen, kann die andere verstärken. Wenn Sie Probleme mit einem Objektiv haben und mit einem unserer Machine Vision Experten sprechen möchten, zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren. 

Chromatische Aberration

Es gibt zwei Arten von chromatischen Aberrationen: axial und lateral.

Axiale chromatische Aberrationen werden durch Unterschiede in der Länge bestimmter Wellenlängen des Lichts verursacht.

Diese Aberration führt zu getrübten Farben sowohl hinter als auch vor der Fokusposition. Diese Variation ist darauf zurückzuführen, dass jede Farbe einen anderen Brennpunkt hat. Axiale chromatische Aberrationen sind an den Rändern und Ecken eines Bildes, wo die Helligkeit höher als normal ist, stärker wahrnehmbar.

Laterale chromatische Aberrationen treten auf, wenn verschiedene Wellenlängen des Lichts in unterschiedlichem Maße vergrößert werden, was so aussieht, als ob die feinen Details auf dem Bild in entgegengesetzten Farben auf beiden Seiten der Merkmale selbst verschwommen wären; dies ist im roten und zyanfarbenen Farbsaum im Bild unten zu sehen.

Dieses Bild eines Framegrabbers zeigt starke Vignettierung, kissenförmige Verzeichnung und chromatische Aberration.

Das obige Bild wurde übertrieben dargestellt, um die verschiedenen Bildqualitätsfehler deutlicher zu zeigen. Chromatische Aberrationen treten häufiger an den Rändern und Ecken von Bildern auf, meist bei Weitwinkelobjektiven, und da dieser Fehler nur bei Farbkameras auftritt, denken viele Benutzer, dass dieser unerwünschte Effekt auf die Kamera zurückzuführen ist; tatsächlich wird diese Aberration durch das Objektiv verursacht. 

Wie man Aberrationen in Ihrem Bild reduziert oder beseitigt

Oft gibt es grundlegende Aberrationen, die bei den meisten Objektiven auftreten, da es derzeit fast unmöglich ist, ein "perfektes" Objektiv herzustellen, das Licht genau so wahrnimmt, wie es physikalisch existiert. Bildfeldwölbung, asphärische Aberrationen und chromatische Aberrationen sind schwer zu vermeiden, aber reduzierbar. Der beste Weg, dies zu erreichen, ist das "Abblenden", auch bekannt als Reduzierung der Blende am Objektiv.

Die Blendenlamellen innerhalb eines Objektivs blockieren die äußeren Ränder von sphärischen Linsen. Durch einfaches Reduzieren der durch das Objektiv tretenden Lichtmenge wird das Potenzial für Aberrationen und Verzerrungen reduziert. Dies geht jedoch zu Lasten von Belichtung und Kontrast, daher ist es wichtig, beim Anpassen der Blende die Waage zu halten.

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