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ImageMaster® HR TempControl – Prüfung der Bildqualität in Temperaturbereichen von -40° C bis 120° C

MTF-Messung zur Bestimmung der Bildqualität von Optiken

TRIOPTICS ist mit der Produktreihe ImageMaster® Marktführer für MTF (Modulation Transfer Function) Messgeräte zur hochgenauen Messung der Abbildungsqualität.

Die ImageMaster® Serie wurde speziell für die Messung der MTF entwickelt, um die Abbildungsqualität von Objektiven und optischen Systemen präzise bestimmen zu können. Dabei werden neben der MTF als allgemein anerkannte Methode zur Bestimmung der Abbildungsqualität eines Objektivs eine Vielzahl weiterer optischer Parameter gemessen.

Wir bieten eine umfassende Produktlinie zur softwaregestützten vollautomatischen Messung der Modulationsübertragungsfunktion (MTF) sowohl für die Forschung und Entwicklung als auch für die Produktion bzw. Optikfertigung.

Wissenswertes zur Messung der MTF

Was ist MTF und wozu dient die MTF-Messung?

Die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) ist der allgemein anerkannte und grundlegende Parameter für die Charakterisierung optischer Systeme weltweit. Die MTF ist ein quantitatives Maß und ein objektives Kriterium für die Abbildungsqualität von Optiken.

Für welche Optiken wird die MTF gemessen?

Die MTF wird für eine Vielzahl an Optiken von einfachen Komponenten wie sphärischen Einzellinsen bis hin zu komplexen Objektiven verwendet. Beispiele sind neben fotografischen Optiken auch fotolithografische Optiken, Intraokularlinsen, Endoskope, Zielfernrohre, Teleskope, Spektive, Ferngläser, AR/VR-Optiken, Cine-Objektive, Automobilobjektive und viele andere mehr.

Bedeutung der MTF-Messung von Optiken

Die MTF ist ein Werkzeug für Optikdesigner, um die Gesamtabbildungsleistung eines Systems in Bezug auf Auflösung und Kontrast zu quantifizieren. Die Kenntnis der MTF-Kurven der an einem optischen System beteiligten Objektive und Kamerasensoren wird zur Optimierung der Leistung des optischen Systems verwendet.

Objektive können während der Produktion in ihrer Abbildungsqualität variieren. Um die oftmals hohen Anforderungen an die Abbildungsleistung zu erfüllen, werden Objektive anhand der MTF als wichtigstem Parameter charakterisiert und bewertet. Die MTF liefert eine aussagekräftige Qualitätsfunktion für die objektive Bewertung optischer Systeme in der optischen Industrie.

Wenn es darum geht, ein Objekt mit der gewünschten Genauigkeit abzubilden, liefern MTF-Daten die benötigte Grundlage für das Optikdesign. Von besonderer Bedeutung sind dabei Auflösung und Kontrast. MTF-Daten können die Auswahl des geeigneten Objektivs für eine Anwendung erheblich vereinfachen.

Entdecken Sie unsere Produkte

Softwarelösungen für F&E und Produktion

ImageMaster® MTF-Lab Software

Bedienerfreundliche Software für die Forschung und Entwicklung sowie Laborarbeit

ImageMaster® MTF-PRO Software

Software für MTF-Prüfungen im Fertigungsprozess

MTF im Detail

Die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) ist ein wichtiges Hilfsmittel zur objektiven Bewertung der Bildgebungsvermögens optischer Systeme. Nicht nur, dass die MTF auch ein Mittel ist die Abbildungsqualität optischer Systeme objektiv und quantitativ auszudrücken, sondern sie kann aus den Konstruktionsdaten des Objektivs berechnet werden. Auf diese Weise können Optik- und Systemdesigner die Leistung der optischen Systeme zuverlässig vorhersagen. Hersteller können die Abbildungsqualität der gefertigten Objektive mit den Design-Erwartungen vergleichen.

Die Modulationsübertragungsfunktion (MTF), die die Auflösung und Leistung eines optischen Systems beschreibt, ist das Verhältnis des relativen Bildkontrasts zum relativen Objektkontrast.

MTF = Relativer Bildkontrast/Relativer Objektkontrast.

Wenn ein Objekt (beleuchtetes Ziel oder Fadenkreuz) mit einem optischen System beobachtet wird, wird das resultierende Bild aufgrund von unvermeidlichen Aberrationen und Beugungserscheinungen etwas beeinträchtigt sein. Darüber hinaus stimmt ein reales Objektiv nicht vollständig mit den Konstruktionsdaten überein. Herstellungs-, Montage- und Ausrichtungsfehler in der Optik verschlechtern die Gesamtabbildungsleistung des Systems.

Infolgedessen erscheinen helle Lichter im Bild nicht so hell wie im Objekt, und dunkle oder schattige Bereiche sind nicht so schwarz wie in den Originalmustern. Im Allgemeinen kann ein beleuchtetes Ziel durch seine räumliche Häufigkeit (Anzahl der hellen und dunklen Bereiche pro Millimeter) und den Kontrast (den scheinbaren Helligkeitsunterschied zwischen hellen und dunklen Bereichen des Bildes) definiert werden.

Vereinbarungsgemäß ist die Modulationsübertragungsfunktion bei einer Ortsfrequenz von Null auf Eins normiert. Bei niedrigen Ortsfrequenzen liegt die Modulationsübertragungsfunktion nahe bei 1 (oder 100 %) und nimmt im Allgemeinen mit steigender Ortsfrequenz ab, bis sie Null erreicht. Die Kontrastwerte sind, wie oben gezeigt, bei höheren Ortsfrequenzen geringer. Mit zunehmender Ortsfrequenz sinkt die MTF-Kurve, bis sie den Wert Null erreicht. Dies ist die Auflösungsgrenze für ein bestimmtes optisches System oder die so genannte Grenzfrequenz (siehe Abbildung unten). Wenn der Kontrastwert den Wert Null erreicht, wird das Bild zu einem einheitlichen Grauton.

Abb.1: Die in der Abbildung gezeigten Gitter werden eigentlich nicht mehr zur Messung der MTF verwendet.

Die in der Abbildung gezeigten Gitter werden eigentlich nicht mehr zur Messung der MTF verwendet. Moderne MTF-Tester wie der ImageMaster® verwenden als Objekt einen einzelnen beleuchteten Spalt auf einem undurchsichtigen Hintergrund. Aus mathematischer Sicht kann ein einzelner Spalt als Summe über alle Raumfrequenzen betrachtet werden (Fourier-Synthese). Alle Frequenzen tragen mit der gleichen Amplitude (=1) zu diesem Spalt bei, wobei die endliche Spaltbreite bei dieser Beschreibung nicht berücksichtigt wird. Dieser einzelne Spalt wird in der Bildebene der Probe abgebildet. Aufgrund von Beugung und Abbildungsfehlern gibt es in dieser Ebene kein perfektes Spaltbild, sondern das Spaltbild ist verbreitert. Es stellt die Linienausbreitungsfunktion (LSF) dar.

Der Beitrag der einzelnen Ortsfrequenzen zur LSF kann auf der Grundlage der Fourier-Analyse berechnet werden. Die Amplitude jeder Ortsfrequenz ist gleich dem Kontrast bei dieser Frequenz. Die Fourier-Analyse der Line Spread Function entspricht der MTF der Probe. Die Aufnahme eines einzigen Bildes der LSF enthüllt die vollständige MTF.

Alternativ ist es auch möglich, ein Kreuz (d. h. zwei senkrechte Schlitze) für das Ziel zu verwenden. Dadurch kann der ImageMaster® die MTF in zwei Bildrichtungen gleichzeitig messen, sofern eine CCD-Kamera für den Bildanalysator verwendet wird. Und schließlich kann auch ein Pinhole-Target als Objekt verwendet werden. Das Bild eines Pinhole-Targets wird als Point Spread Function bezeichnet. Diese Funktion enthält die vollständige MTF-Information in allen Bildrichtungen. Die grundlegenden Begriffe und mathematischen Beziehungen, die für die MTF verwendet werden, sind in der Norm ISO 9334 beschrieben.

Die Modulationsübertragungsfunktion variiert in Abhängigkeit von der Ortsfrequenz und auch von der Position im Sichtfeld. Die MTF-Messung entlang der Symmetrieachse des optischen Systems wird als achsnahe Messung bezeichnet.

Um die Abbildungsleistung eines optischen Systems vollständig zu charakterisieren, muss die MTF an verschiedenen Positionen innerhalb des Sichtfelds gemessen werden. Die MTF-Messung innerhalb des Sichtfeldes wird als Off-Axis-Messung bezeichnet. Für eine Off-Axis-Messung wird das Messobjekt im Sichtfeld an die gewünschte Objektposition und der Bildanalysator an die entsprechende Bildposition bewegt.

Die MTF-Messung kann bei einer einzigen Wellenlänge oder in einem Spektralbereich durchgeführt werden, der ein endliches Band von Wellenlängen abdeckt. Die resultierenden Messdaten werden als monochromatische bzw. polychromatische MTF-Werte bezeichnet.

Normalerweise wird die MTF in ihrer eindimensionalen Form verwendet, die für einen azimutalen Schnitt durch die Bildebene berechnet wird. Der Azimut (Schnittebene) des Objektmusters wird als sagittaler Azimut bezeichnet, wenn die Verlängerung des Spalts oder des Objekts durch die Bezugsachse verläuft. Wenn die Verlängerung des Spaltmusters senkrecht zur Bezugsachse verläuft, wird der Azimut als tangentialer Azimut bezeichnet.

Bei dieser so genannten endlich-unendlichen Abbildungsbedingung wird der beleuchtete Spalt oder das Fadenkreuz direkt in der Objektebene der Probe bewegt. Bei der häufiger anzutreffenden unendlich-unendlichen Abbildungsbedingung ist der beleuchtete Spalt oder das Fadenkreuz Teil eines Kollimators, der das Ziel ins Unendliche projiziert. Der Kollimator wird dann in verschiedenen Off-Axis-Winkeln ausgerichtet, um die MTF in den entsprechenden Bildfeldern zu charakterisieren.

MTF-Messung – TRIOPTICS Lösungen für aktuelle Herausforderungen

TRIOPTICS bietet ein breites Produktportfolio im Bereich MTF-Messung. Dazu gehören auch Modellvarianten für Messanforderungen, die sich durch die neuesten Technologietrends für Kameraoptiken von Smartphones ergeben.

Eine neue Technologie im Mobiletelefon-Markt ist die Under-Display-Kameratechnik – Kameraoptiken sind nahezu unsichtbar unter vollflächiger Displayoberfläche verborgen.

Als zwei weitere wesentliche Zukunftstreiber kommen die hochauflösende, professionelle Fotografie sowie die Zoomfähigkeit der Kameras hinzu. Alle drei Trends stellen neue Herausforderungen an die Messtechnik, für die TRIOPTICS jetzt maßgeschneiderte Messlösungen für die Prüfung der Bildqualität herausbringt.

Die Produktfamilie ImageMaster® PRO setzt seit Jahren weltweit den Standard bei der Prüfung der Abbildungsqualität von Handy-Kameralinsen in der Massenproduktion.

Die ImageMaster® PRO Geräte sind die schnellsten und genauesten Geräte weltweit.

Mit den drei Neuentwicklungen der ImageMaster® PRO Serie unterstreicht TRIOPTICS seine Technologieführerschaft auch für die Produktion zukünftiger Handy-Kameraoptiken.

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