Pixelgröße: Welche macht die besten Bilder?

Die erste Frage, die man gestellt bekommt, wenn man eine neue Digitalkamera für den Urlaub gekauft hat, ist:Welche Auflösung hat denn die Kamera? Je höher dieser Wert – 3, 5 oder sogar 8 Megapixel – desto leistungsstärker und besser erscheint sie. Die Sensorgröße wird trotz zunehmender Pixelanzahl immer kleiner, so dass die Größe des einzelnen Pixels ebenfalls noch viel kleiner wird. Hier stellt sich die Frage, ob kleine Pixel und höhere Auflösung ein Gewinn sind.

Objektive – wie geht’s?

Verfolgen wir den Weg, den das Licht vom Objekt zum Pixel zurücklegt. Oft wird das Objektiv lediglich als „Abbilder“ des Objekts auf dem Chip gesehen. Doch auch hier gibt es unterschiedliche Leistungsklassen. Ein Objektiv, das aus mehreren Linsen unterschiedlicher Dicken und Glassorten besteht, bricht das Licht an den einzelnen Oberflächenkrümmungen. Ein Lichtstrahl, der am Rand einer Linse gebrochen wird, wird stärker gebrochen als ein Strahl, der nahe durch das Zentrum verläuft.

Das Verhältnis Brechung zum Achsenabstand bleibt nicht konstant, was dazu führt, dass die Strahlen, die von einem Punkt auf dem Objekt gestartet sind, sich nicht mehr in einem Punkt sammeln, sondern leicht verschmiert sind. Je weiter die Blende des Objektivs geöffnet ist, desto unschärfer wird das Bild. Ähnliches passiert, je weiter sich das Objekt von der optischen Achse befindet. Objekte ganz in der Ecke des Bildes sind dann einfach nicht scharf zu bekommen.

Man kann nun immer aufwändigere Objektive konstruieren, die mit mehr Linsen diese störenden Effekte minimieren, doch faktisch sind Objektive immer nur für einen bestimmten Bereich optimiert. So wird beim Design eines Objektivs der Abbildungsmaßstab vom Optikentwickler festgelegt. Daraus resultiert ein maximaler mechanischer Hub, der dann am fertigen Objektiv einstellbar ist. Jetzt kann man diesen Hub durch Distanzringe verändern, so dass man andere Abbildungsmaßstäbe erreichen kann. Damit wird das Objektiv in einem Bereich betrieben, für den es nicht konstruiert wurde.

Feste physikalische Grenzen

Doch selbst optimal designte Objektive stoßen an physikalische Grenzen.

So begrenzt die Beugung die Schärfe des Bildpunktes. Als Faustregel für die durch die Beugung verursachte Unschärfe kann man den Blendenwert in Mikrometern annehmen (F-Zahl = 2,8, Beugungsunschärfe: ca. 2,8 μm im Durchmesser). Je weiter die Blende geöffnet ist, desto kleiner der Beugungseffekt. Doch dabei spielen die oben genannten Effekte wieder eine Rolle: Dreht man die Blende sehr weit zu (z.B. F-Zahl = 11), so tritt der Effekt durch die Beugung immer stärker auf. Die Beugung wird ab einem bestimmten Punkt immer begrenzend sein.

Die Leistungsfähigkeit eines Objektivs wird daran gemessen, wie gut ein feines Linienmuster, das aus schwarzen und weißen Linien besteht, abgebildet wird. Dazu wird bei größer werdender Liniendichte (Linienpaare pro Millimeter) bildseitig der Kontrast gemessen. Der Kontrast nimmt mit zunehmender Liniendichte ab, bis nur noch ein einheitliches Grau zu messen ist.Vergleichbar ist das mit den Lesetafeln beim Augenarzt: Die ganz kleinen Buchstaben werden dann nur noch als graue Punkte wahrgenommen.

Wo sind die Grenzen bei den Objektiven, die in der IBV eingesetzt werden? CMount-Objektive in der Preisklasse 130 bis 180 € bieten ab rund 30 Linienpaaren pro Millimeter (lp/mm) nur noch einen minimalen Kontrast. 30 lp/mm entsprechen einer Auflösung von rund 17 μm. Ein Übergang von weiß auf schwarz wird dann auf zwei bis drei Pixeln aufgenommen, wenn die Pixelgröße bspw. 6,5 μm beträgt. Es macht in dem Fall nur wenig Sinn, die Pixelgröße zu verkleinern, denn die abgebildete Kante wird dann nur von mehr Pixeln aufgenommen.

Gute Objektive im Machine Vision Bereich für ca. 400 bis 800 € liefern bei 70 lp/mm (entspricht 7 μm Pixelgröße) einen hervorragenden Kontrast, erstklassigeObjektive bieten bei 100 lp/mm (entspricht 5 μm) einen noch ausreichenden Kontrast und damit eine gute Auflösung. Bei Farbkameras, die ein Bayerpattern haben (erste Zeile: rot, grün, rot, grün, ... , zweite Zeile: grün, blau, grün, blau, ...) setzen sich die Pixel aus 2 x 2 Pixel großen Gruppen zusammen, so dass die Größe der einzelnen Pixel durchaus kleiner sein kann.

Kleinere Pixel vs. größere Pixel

Kleinere Pixel können nicht so viele Elektronen aufnehmen wie größere Pixel. Bei der Verwendung von Zeilenkameras spielt diese Aussage aber eine eher untergeordnete Rolle. Hier werden sehr kurze Belichtungszeiten genutzt, während denen ein Sammeln einer großen Menge an Photonen gar nicht möglich ist. Bei Anwendungen mit Flächenkameras hingegen, wo die Belichtungszeiten in der Regel deutlich länger gesetzt werden und man an die Grenze der „Full-Well“-Kapazität (maximale Anzahl der Elektronen pro Pixel) gelangen kann, ist dieser Effekt durchaus relevant. Das Signal-Rausch-Verhältnis, als Maß für die Bildqualität, ist daher bei kleinen Pixeln je nach Anwendung anders zu bewerten. Bei gleicher Sensorgröße werden bei kleinen Pixeln zwar mehr Bildpunkte erzeugt, die aber bei einer nicht angepassten Optik nicht mehr Informationen beinhalten können.

Fazit

Diese Betrachtungen zeigen, dass die Optik in einer Anwendung mehr ist als ein einfacher „Abbilder“ auf dem Sensor. Das Zusammenspiel zwischen dieser Komponente und der Pixelgröße, aber auch den Lichtverhältnissen muss individuell betrachtet werden und lässt sich schwer verallgemeinern. Die eingesetzten Optiken und die Pixelgröße sollten aufeinander abgestimmt sein, damit die vorhandene Information im Bild vom Sensor entsprechend aufgenommen werden kann. Dr. Joachim Linkemann Produktmanager Basler Vision Technologies Tel. 04102/463-0 info@basler-vc.com www.basler-vc.com

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