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Quantifizierung der Schleierblendung bildgebender Systeme

App. 033

Ein begrenzender Faktor für den Dynamikumfang von Kameras ist die Schleierblendung, im üblichen Sprachgebrauch als Veiling Glare bezeichnet. Die Ursache für Veiling Glare ist unerwünschtes Streulicht, das durch gestreutes und reflektiertes Licht von den bilderzeugenden Lichtstrahlen innerhalb des Kamerasystems erzeugt wird und auf der Bildebene auftrifft. Das Streulicht erzeugt kein Bild, sondern ist eher gleichmäßig verteilt und führt dadurch zu einer Bildschleierbildung. Diese wiederum führt zu einer Reduzierung des Bildkontrastes. Es gibt zahlreiche Ursachen für die Schleierbildung. Dazu gehören Mehrfachreflexionen zwischen den Oberflächen von Linsen; Streuung von Verunreinigungen und Einschlüssen der Linse; Streuung und Reflexionen von Komponenten und den inneren Oberflächen des Kameragehäuses; Fluoreszenz. Durch die Schleierblendung erzeugen helle Lichtpunkte oder Szenen im gesamten Sichtfeld der Kamera einen Lichtschleier, der zu der erwähnten Kontrastreduzierung führt.

Durch die Quantifizierung der Schleierblendung kann der nutzbare Dynamikbereich einer Kamera erhöht werden. Dies erfordert eine Lichtquelle, die einen ausreichend hohen Hell-Dunkel-Kontrast bereitstellen kann.

Der Veiling Glare Index (VGI) definiert das "Verhältnis der gemessenen Dunkel zu Hell Bestrahlungsstärke im Zentrum eines Bildsensors. Die Messung der Bestrahlungsstärke erfolgt gemäß ISO 9358 [1] wie folgt:

  • Die Dunkel-Bestrahlungsstärke wird durch die Abbildung einer kleinen, kreisförmigen und perfekt schwarzen Fläche erzeugt, die umgeben ist von einem ausgedehnten Feld intensiver gleichmäßiger Strahldichte.
  • Die Hell-Bestrahlungsstärke ist die Bestrahlungsstärke gemessen am gleichen Punkt der Bildebene ohne das schwarze Feld.

Der VGI wird normalerweise als Prozentsatz angegeben.

Bild: Prinzip Darstellung der Veiling Glare Index Ermittlung

Eine bewährte Methode zur Quantifizierung von Veiling Glare beruht auf der Verwendung einer Ulbrichtkugel-Lichtquelle. Diese erzeugt an ihrer Lichtaustrittsöffnung ein gleichmäßiges Lichtfeld mit diffuser, quasi-Lambertscher Abstrahlcharakteristik. Da das Lichtfeld größer ist als der Linsendurchmesser der Kamera, werden die gesamte Optik und damit der gesamte Kamerasensor gleichmäßig ausgeleuchtet.

Um einen Kontrast zu erzeugen, ist auf der der Kamera gegenüberliegenden Seite der Kugel eine Lichtfalle positioniert, die vom Kamerasensor als schwarzer Bereich abgebildet wird. Idealerweise ist das Signal von dem "schwarzen Feld" Null. Dies ist jedoch aus zwei Gründen nicht möglich:

  1. Aufgrund von Schleierblendung fällt Streulicht auf das auf dem Sensor abgebildete schwarze Feld (Abbildung der Lichtfalle)
  2. Die Lichtfalle ist nicht perfekt, d.h. sie absorbiert nicht das gesamte auf ihr einfallende Licht

Die Qualität einer Lichtfalle wird durch die Komplexität ihrer Konstruktion bestimmt. In der einfachsten Ausführung besteht sie aus einer mattschwarz beschichteten Fläche. In diesem Fall bestimmt die Lichtabsorption der Farbe den Grad der Schwärze. Eine Verbesserung hinsichtlich der Rückreflexion sind Lichtfallen, die als mattschwarz beschichteter Tunnel mit konisch geformten Innenflächen gestaltet sind. Ein noch höherer Absorptionsgrad kann mit einer innen mattschwarz beschichteten Ulbrichtkugel erreicht werden. Ein Messsystem dieser Technologie ist beispielsweise die ISS-100-LT.

Das Modulare Ulbrichtkugel-System der Gigahertz-Optik GmbH ermöglicht die Konfiguration individueller Lösungen für die unterschiedlichsten Messaufgaben. Beispielsweise wurde ein System zur Quantifizierung der Schleierblendung von Weltraumteleskopen mit einer Ulbrichtkugel-Lichtquelle mit einem Durchmesser von 100 cm und einer passenden Ulbrichtkugel-Lichtfalle mit einem Durchmesser von 50 cm entworfen und konfiguriert, um die Anwendungsanforderungen unter Verwendung von Standard- und Spezialmodulen zu erfüllen. Siehe beispielsweise auch eine Ulbrichtkugel Lichtquelle zur Kalibrierung von Fisheye-Kameras ISS-50-LU-FE.

Referenzen

[1] ISO 9358 (1994): Optics and optical instruments– Veiling glare of image forming systems – Definitions and methods of measurement