Die Kunst der Objektiv-Entwicklung, Schwächen im Randbereich

Was im professionellen Broadcast-Bereich schon lange zum Standard avanciert, hält auch in der Videoüberwachung Einzug. Die ersten HD-SDI Kameras waren auf auf diversen Messen 2012 bereits zu sehen. Doch die höheren Auflösungen der Videoüberwachungskameras stellen auch die Objektiv Hersteller vor immer größere Herausforderungen.
Bei schlecht beschichteten Linsen gehen Detailinformationen meistens gleich am Anfang der Bildgebung unwiederbringlich verloren, und die immer kleiner werdenden Pixel wollen entsprechend aufgelöst werden. Erst dann wird die HD-Auflösung auch sinnvoll sein, und erst dann können auch die Vorteile wie digitales Zoomen effektiv genutzt werden.

Doch wo liegen die Unterschiede eines hochauflösenden optischen Systems zu den normalen Auflösungen? Prinzipiell ist die Technik immer die selbe. Sammellinsen erzeugen ein reelles Abbild eines realen Objekts. Das Problem: Objektive beziehungsweise optische Systeme sind grundsätzlich fehlerbehaftet. Ganz besonders Vario-Objektive sind im Prinzip meistens eine Kompromisslösung. Es wird aber eine gleich bleibende Abbildungsqualität über den gesamten Brennweitenbereich erwartet.

Wenn dann noch eine Tag/Nacht-Kamera zum Einsatz kommt und beispielsweise ein Parkplatz in der Dunkelheit mit IR-Licht beleuchtet ist, kommen weitere Anforderungen hinzu, wie sphärische Aberration.
Die Kunst der Objektiv-Entwicklung und Fertigung besteht darin, alle optischen Fehler auf ein Minimum zu reduzieren. Wenn man das Potenzial einer digitalen HD-SDI Kamera nutzt und sich zusätzlich digital in das Bild hineinzoomt, wird man schnell feststellen, dass im Randbereich des Bildes die Schwächen eines Objektives sichtbar werden. Im Zentrum ist eine hohe Auflösung noch relativ einfach zu erreichen. Doch die Qualitätsunterschiede der Objektiv Linsen sind an den Bildrändern besonders deutlich zu sehen. Die Ursache dieses Phänomens ist die sphärische Aberration. Die äußeren Lichtstrahlen treffen in einem anderen Winkel auf die Optik als die Lichtstrahlen im Zentrum. Entsprechend werden sie auch anders gebrochen, und die Lichtstrahlen treffen nicht mehr in einem Punkt sondern leicht gestreut auf den Sensor. Durch die Verwendung von asphärischen Elementen kann dieses Problem fast gänzlich reduziert werden.

Asphärische Linsen

zeichnen sich durch einen veränderten Radius in den Randbereichen aus. Das Licht wird in einem anderen Winkel abgelenkt und trifft punktgenau und somit korrigiert auf den Sensor. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, unterschiedliche Materialien zu verwenden. Sogenannte Dual-Asphärische Elemente bestehen aus zwei unterschiedlichen Materialien, die jeweils einen anderen Brechungsindex besitzen. Eine Kombination solcher Linsen korrigieren dann nicht nur die Randstrahlen, sondern sind auch in der Lage, längere Wellenlängen, wie sie im IR-Licht vorhanden sind, auf einen Punkt zu bringen. Das Objektiv ist in diesem Fall IR-korrigiert und es kommt nicht mehr zu einer Fokusverschiebung auf dem CCD Sensor. Solche Objektive sind aber nicht nur für IR-Anwendungen zu empfehlen. Auch bei der Videoüberwachung im Innenbereich ist der Einsatz solcher Objektive sinnvoll, da im Kunstlicht, ganz besonders bei Halogenlicht, der IR-Anteil bis zu 90 Prozent beträgt.

Farbfehler oder chromatische Aberrationen werden ähnlich minimiert. Sogenannte LD Gläser (Low Dispersion) sorgen dafür, dass die Wellenlängen der unterschiedlichen Farben weitestgehend im gleichen Winkel gebrochen werden und punktgenau auf den Sensor treffen. Ein weiterer Schlüssel für eine hochwertige Optik ist das Gehäuse. Ein Vario-Objektiv sollte über die gesamten Brennweiten eine möglichst gleich bleibende hohe Qualität aufweisen. Die Abstände der einzelnen Linsenelemente bewegen sich jedoch mit jeder Änderung der Brennweite. Die Anordnung der Elemente/Gruppen muss dennoch exakt aufeinander abgestimmt sein. Wenige Mikrometer Abweichung
führen zu groben Unschärfen. Hohe äußere Temperaturschwankungen müssen ebenfalls ausgeglichen werden.

Beschichtungen

Der Einfluss der Beschichtungen  ist daher nicht zu unterschätzen. In einem direkten Vergleich zweier Datenblätter wird man häufig keine großen Unterschiede zwischen zwei Optiken erkennen. Leider sagen die Spezifikationen selten etwas über die tatsächliche Qualität aus. Selbst Auflösungsangaben wie fünf Megapixel sind keine Garantie, höchstens ein Hinweis, da es keine Normen für solche Angaben gibt. Einzig die Werte einer MTF-Kurve geben einen Hinweis auf die tatsächliche Auflösung. Diese Angabe ist allerdings besonders in der Videoüberwachung selten zu finden.

Vergütung

Ein weiteres häufig nicht beachtetes Thema ist die Vergütung. Die Beschichtungen der einzelnen Linsen haben einen sehr großen Einfluss auf die Abbildungsleistung, besonders in schwierigen Lichtsituationen. Zum Beispiel das direkte Gegenlicht: Im Idealfall sollen die Lichtstrahlen nur in eine Richtung durch das Objektiv geleitet werden. Glas hat aber die Eigenschaft, auftreffende Strahlen zu reflektieren, und somit kann es bei einer minderwertigen Beschichtung zu starken Reflexionen innerhalb des Linsensystems kommen. Woher weiß man aber, welche Qualität man von einem Objektiv erwarten kann? Wie schon erwähnt, sind die Megapixel-Angaben und die Spezifikationen nur ein Hinweis. Die wirkliche Perfomance ist leider nur durch entsprechende Tests zu ermitteln.

Ein weiterer Indikator ist aber auch der Preis. Hersteller versuchen, sich immer aggressiver gegenseitig zu unterbieten. Dass dieser Kampf aber langfristig zu minderer Qualität führt, ist nur die logische Folge, denn Spitzenprodukte erfordern viel Know-How und hochwertige Materialien.

Welches Objektiv auch immer gewählt wird, es ist immer das erste Element in der Kette der Bildgebung. Und Detailinformationen, die hier verloren gehen, werden durch keinen Sensor zurückgewonnen.

Die Kunst der Objektiv-Entwicklung ist ein komplexer Prozess, der sowohl technisches Wissen als auch kreatives Design erfordert. Hier sind einige wichtige Aspekte, die dabei berücksichtigt werden müssen:

1. Optische Gestaltung: Die Entwicklung eines Objektivs beginnt mit der Berechnung und Gestaltung der Linsenformen und -anordnungen. Ingenieure müssen die Lichtbrechung und -reflexion berücksichtigen, um ein möglichst scharfes und verzerrungsfreies Bild zu erzeugen.

2. Materialwahl: Die Auswahl der richtigen Materialien für die Linsen ist entscheidend. Hochwertige Gläser mit speziellen Beschichtungen können dazu beitragen, Reflexionen zu minimieren und die Lichtdurchlässigkeit zu maximieren.

3. Brennweite und Blende: Die Festlegung der Brennweite und der maximalen Blendenöffnung beeinflusst die Bildkomposition und die Lichtempfindlichkeit des Objektivs. Diese Parameter müssen sorgfältig ausgewählt werden, um die gewünschten fotografischen Effekte zu erzielen.

4. Korrektur von Abbildungsfehlern: Objektive können verschiedene Abbildungsfehler aufweisen, wie z. B. chromatische Aberration, Verzerrung und Vignettierung. Die Entwicklung erfordert Techniken zur Korrektur dieser Fehler, um die Bildqualität zu optimieren.

Schwächen im Randbereich

Ein häufiges Problem bei vielen Objektiven sind die Schwächen im Randbereich, die sich in verschiedenen Formen äußern können:

1. Vignettierung: Dies ist eine Abschattung der Bildecken, die oft bei weit geöffneten Blenden auftritt. Es kann das Bild ungleichmäßig erscheinen lassen, insbesondere in den Ecken.

2. Schärfeverlust: Viele Objektive sind in der Mitte schärfer als an den Rändern. Dies kann die Bildqualität beeinträchtigen, insbesondere bei Landschafts- oder Architekturfotografie, wo Details in den Ecken wichtig sind.

3. Verzerrung: Randverzerrungen können dazu führen, dass gerade Linien an den Rändern des Bildes gebogen erscheinen. Dies ist besonders problematisch in der Architektur- und Produktfotografie.

4. Farbabweichungen: Chromatische Aberration kann an den Rändern eines Bildes stärker ausgeprägt sein, was zu Farbsäumen um Objekte führt.

Um diese Schwächen zu minimieren, investieren Hersteller in fortschrittliche Designs, spezielle Linsen und Beschichtungen sowie in präzise Fertigungstechniken. Die Kunst der Objektiv-Entwicklung erfordert also ein tiefes Verständnis der Optik und der praktischen Anwendung, um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen.

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