Machine-Vision-Optiken: MTF-Diagramme und -Kurven

In Teil 1 und Teil 2 dieser Blogserie über Machine Vision Optik haben wir eine Reihe von Parametern behandelt, die zur gesamten Bildqualität beitragen.

Im Blog dieser Woche werden wir uns weiterhin mit Machine Vision Optik beschäftigen, die optische Theorie erforschen und Sie mit den Werkzeugen ausstatten, um das richtige Objektiv für Ihr Machine Vision System zu wählen.

MTF: Optische Daten, auf die es ankommt

Bei der Auswahl einer Kamera ist der EMVA 1288 Standard eine hilfreiche Reihe von Parametern, um die richtige Kamera für Ihre Anwendung zu bestimmen. Obwohl es keinen solchen Standard für Objektive gibt, gibt es Optionen bei der Bewertung der potenziellen Leistung eines bestimmten Machine Vision Objektivs.

Die Modulationsübertragungsfunktion, oder MTF, ist eine Berechnung der potenziellen optischen Leistung eines Objektivs. MTF-Diagramme können OEMs und Endbenutzern ein besseres Verständnis der Art der optischen Qualität vermitteln, die von verschiedenen Objektiven zu erwarten ist, und sind unglaublich wichtige Referenzen beim Studium, Vergleich und der Entscheidung für ein Objektiv.

Die Modulationsübertragungsfunktion kombiniert die räumliche Frequenzantwort eines Bildgebungssystems oder einer Komponente und misst diese zusammen mit dem Kontrast, um Daten zu liefern, die die Bildqualität bei einer bestimmten räumlichen Frequenz darstellen.

Was beeinflusst die MTF?

Die drei wichtigsten Faktoren, die die System-MTF beeinflussen, sind das Objektiv, die Kamera und die Beleuchtung. Das Objektiv hat den größten Einfluss darauf, das Beste aus dem Sensor Ihrer Kamera herauszuholen (und umgekehrt), und die Aufrechterhaltung einer gut beleuchteten Bildgebungsumgebung gewährleistet die besten optischen Ergebnisse. Es ist wichtig, dass Sie hochwertige Komponenten für diese drei Kernsystemkomponenten auswählen, denn je höher der Material- und Fertigungsstandard Ihres Objektivs, Ihrer Kamera und Ihrer Beleuchtung ist, desto besser sind die potenzielle optische Leistung und Bildqualität. Obwohl Kabel, Frame Grabber, optische Filter und alle anderen Komponenten in Ihrem Machine Vision System einen marginalen Einfluss auf die System-MTF haben, lohnt es sich dennoch, sicherzustellen, dass es sich um hochwertige Teile handelt, um zur allgemeinen Systemhaltbarkeit und Zukunftssicherheit beizutragen.

Optische Parameter wie der Arbeitsabstand (WD), sowie Wellenlänge, F-Zahl und Aberrationen beeinflussen alle die MTF, daher ist es wichtig, so detailliert wie möglich zu sein und die Kontrolle über diese Faktoren zu behalten.

Was ist MTF?

Was ist also die Modulationsübertragungsfunktion?

Die Modulationsübertragungsfunktion kann als die Antwort auf ein periodisch wechselndes (Sinus-)Wellenmuster betrachtet werden. Es ist im Wesentlichen eine Methode zur Messung der Qualität der Lichtübertragung durch das Objektiv. Je wiederholbarer das Objektiv ist, desto besser ist die Lichtübertragung, und kleinere Kontrastbereiche können leichter erkannt werden.

Siemens-Stern-Speichenziele werden häufig verwendet, um die Bildqualität von Objektiven, Sensoren, Druckern und Bildschirmen zu testen.

Ein klares Beispiel hierfür sind die obigen Bilder. Der Siemens-Stern in „A“, „B“ und „C“ besteht aus hellen und dunklen Speichen, die kleiner werden, je näher sie dem Bildmittelpunkt kommen. In „A“ sind weitaus mehr Details vorhanden als in „B“ und „C“, da das zur Aufnahme von „A“ verwendete Objektiv einen kleineren Bereich auflösen kann.

In „A“ ist der Kontrast auch in den kleineren Detailbereichen viel besser. Häufig wird die MTF in Linienpaaren pro Millimeter (lp/mm) angegeben; dies ist die Frequenz der kleinsten auflösbaren kontrastierenden Bereiche, z. B. schwarze und weiße Linien, auf einer Fläche von einem Millimeter.

Ein höherer lp/mm-Wert führt zu einem höheren Detail-, Kontrast- und Schärfegrad, der vom Objektiv aufgelöst wird. Je höher dieser Wert, desto höher die Qualität des Objektivs.

Aufgrund der Physik der Lichtübertragung durch ein Objektiv unterscheidet sich die MTF im Zentrum von der in den äußeren Bereichen des Objektivs. Die physikalische Natur eines Objektivs bedeutet, dass Licht beim Durchgang durch dieses verzerrt werden muss, um das gewünschte Bild zu erzeugen.

Deshalb stellen viele Objektivhersteller in der Regel ein Diagramm (wie das obige) zur Verfügung, das die MTF an verschiedenen Punkten des Objektivs im Vergleich zum Zentrum darstellt.

Wie Sie aus dem obigen Diagramm ersehen können, ist die y-Achse als Modul der OTF bezeichnet, was im Wesentlichen ein Maß für den Kontrast (%) ist. Die x-Achse ist als Raumfrequenz bezeichnet, was im Wesentlichen dem lp/mm entspricht.

Was jede Linie im Diagramm dann darstellt, ist die Rate des Kontrastabfalls, wenn die Raumfrequenz zunimmt. Dieser Abfall der Bildqualität ist sehr häufig; kein Objektiv ist perfekt. Je mehr Elemente das Objektiv in seiner Baugruppe enthält, desto mehr potenzielle Stufen gibt es, bei denen der Kontrast bei zunehmender Raumfrequenz abnimmt. Zum Beispiel hat ein Zoomobjektiv in der Regel mehr Elemente als ein Objektiv mit fester Brennweite und wird daher im Vergleich wahrscheinlich schlechter in einem MTF-Diagramm abschneiden (vorausgesetzt, die Objektivspezifikation bleibt für beide gleich).

Da die MTF dazu neigt, an verschiedenen Punkten entlang der Krümmung des Objektivs zu variieren, können mehrere Diagramme, die die Bildqualität in verschiedenen Abständen vom Mittelpunkt des Objektivs widerspiegeln, äußerst nützlich sein, insbesondere wenn große Sichtfelder im Spiel sind.

Um dies zu demonstrieren, hier ist das Bild „A“ von vorhin, aufgenommen mit einem Objektiv, das einen starken Abfall der Bildqualität zeigt, je weiter man sich vom Objektivzentrum entfernt. Dies ist eine Form der Verzerrung, die als Bildfeldwölbung bekannt ist – aber dazu nächste Woche mehr.

Wir helfen Ihnen, die richtige Bildverarbeitungsentscheidung zu treffen

Bleiben Sie dran an dieser Blogreihe, während wir weiterhin die Optik beleuchten und Aberrationen, Tonnenverzerrung, Verzerrung und einen ultimativen Leitfaden zur Auswahl des richtigen Objektivs erkunden.

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