Moderne Sensoren – Eine Herausforderung
für das Objektiv

Wenn Objektstrukturen nahe der Nyquist-Frequenz abgebildet werden, entsprechen die Sensorinformationen möglicherweise nicht der Wahrheit:

Ein und dasselbe Objekt kann zu völlig unterschiedlichen Informationen auf dem Sensor führen, wenn Strukturen nahe oder oberhalb der Nyquist-Frequenz aufgelöst werden (z. B. Moiré).

Pixelgröße - erforderliche MTF
Um genügend Auflösung für die Pixelgröße zu haben, aber unnötige Auflösung zu vermeiden, kann die folgende Faustregel angewendet werden: Die MTF des Objektivs bei 2/3 der Nyquist-Frequenz sollte im Bereich von ca. 30% liegen.

MTF = Modulationsübertragungsfunktion (einfach ausgedrückt der Kontrast von Schwarz-Weiß-Linienpaaren)

Objektivleistung - theoretische MTF
Polychromatische Beugungs-MTF eines Objektivs für hochauflösende 1,2"-Sensoren

Die technischen Datenblätter der Objektive sind nicht standardisiert. Daher ist es sehr schwierig, die Daten verschiedener Hersteller zu vergleichen. Der Unterschied zwischen den theoretischen Daten und der tatsächlichen Objektivleistung kann enorm sein.

• Die geometrische MTF kann wesentlich höhere Werte aufweisen als die praktischere polychromatische Beugungs-MTF.
• Ein eingeschränkter Spektralbereich oder eine zentrierte Gewichtung führen zu höheren MTF-Werten.
• Die TV-Verzeichnung zeigt typischerweise deutlich niedrigere Werte als die geometrische Verzeichnung. Blendenzahl (f/#) und Vergrößerung sind wichtige Parameter und müssen angegeben werden.
• Die tatsächliche Objektivleistung kann erheblich von den theoretischen Daten abweichen, wenn der Objektivhersteller nicht in der Lage ist, die erforderlichen Fertigungstoleranzen einzuhalten.

Objektivleistung - wie sie sein sollte
Ein sehr gleichmäßiges Auflösungsvermögen über die gesamte Sensorfläche mit maximal einem Auflösungsunterschied in der gleichen Radiusgruppe.

Die Leistung eines Objektivs, das nicht gut zentriert ist und daher starke Leistungsschwankungen über den Bildkreis aufweist. Ein solches Objektiv würde unsere 100%-Qualitätsprüfung nicht bestehen.

Grenzwert der Sensorauflösung (Nyquist-Frequenz)

Der Grenzwert ist erreicht, wenn eine dunkle und eine helle Linie 2 Pixelreihen ausfüllen. Nyquist-Frequenz (Zeilenpaare/mm) = 1000 / (2 x Pixelgröße (µm))

Sensor-Mikrolinsen - Winkelempfindlichkeit von Sensoren (Datenblatt)

Die Winkelempfindlichkeit von Sensoren wird heutzutage sehr oft im Datenblatt des Sensors angegeben - normalerweise durch eine Kurve, die die Winkelantwort in Abhängigkeit vom Einfallswinkel des Lichts zeigt.

Dies ist ein Beispiel für einen Sensor mit unterschiedlicher Empfindlichkeit in horizontaler und vertikaler Richtung, was zu abgedunkelten Seiten führt. Es gibt auch Sensoren mit gleicher Empfindlichkeit in beiden Richtungen, die eine konzentrische Abdunklung zeigen.

Die meisten modernen Sensoren sind mit Mikrolinsen auf jedem Pixel ausgestattet, um die Quanteneffizienz zu erhöhen. Diese Mikrolinsen können jedoch dazu führen, dass Licht unter einem bestimmten Winkel nicht auf den aktiven Pixelbereich projiziert wird.
 

• Pixel am Sensorrand
• Große CRA (Hauptstrahlwinkel)
• Licht verfehlt aktiven Bereich (grau)

• Pixel in der Sensormitte
• CRA = 0°
• Licht trifft auf aktive Fläche (grau)

Um den Abschattungseffekt zu minimieren, sind spezielle Objektive erforderlich, die für die Sensoreigenschaften optimiert sind (Anti-Shading-Objektive). Dies erfordert oft zusätzliche, größere Linsenelemente und eine komplexe mechanische Konstruktion.

• Pixel am Sensorrand
• Sehr niedrige CRA
• Licht trifft auf aktive Fläche (grau)
   

• Pixel in der Sensormitte
• CRA = 0°
• Licht trifft auf aktive Fläche (grau)

Relative Winkelreaktion

Standardobjektiv

Anti-Beschlag Linse

Konsequenzen von Mikrolinsen
Mikrolinsen...

• begrenzen die numerische Apertur und damit die Blendenzahl eines Objektivs
• können einen Lichtabfall durch das Objektivdesign zu den Rändern hin erfordern
• erfordern ein großes letztes Linsenelement
• können ein kompliziertes mechanisches Objektivdesign verursachen

Variation der spektralen Empfindlichkeit

• Aktuelle Sensoren zeigen mehr spektrale Vielfalt als frühere Modelle - oft mit einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber Blau
• Objektive müssen für einen breiteren spektralen Bereich konzipiert sein
• Mehr Linsenelemente und/oder spezielle Gläser sind für eine optimierte Farbkorrektur des Objektivs erforderlich

Spektrale Empfindlichkeit - Sensor 1

Spektrale Empfindlichkeit - Sensor 2

Die guten Nachrichten

• Die zunehmende Größe der Sensoren bei gleichzeitiger Verkleinerung der Pixel stellt neue Anforderungen an die Objektivkonstruktion und -fertigung.
• Objektive können theoretisch so konstruiert werden, dass sie die hohe Auflösung moderner Sensoren voll ausnutzen.
• Die Herausforderung besteht darin, die theoretische Leistung in gebaute Objektive umzusetzen, ohne dabei Abstriche bei der Leistung zu machen. 
• Einige Optikunternehmen stellen sich dieser Herausforderung und sind in der Lage, leistungsstarke Objektive zu liefern, die die Möglichkeiten des Sensors wirklich ausschöpfen.