Bildauflösung modulation transfer function (MTF)

Transkript

1 Bildauflösung modulation transfer function (MTF) Auflösung ist ein Maß für die höchste Raumfrequenz, angegeben in Linienpaaren/mm (lp/mm), die mit dem Bildaufnehmesystem aufgelöst werden kann. Modulationsübertragungsfunktion MTF ist die relative Antwort des kompletten optischen Systems auf ein Objekt mit sinusförmig modulierter örtlicher Bestrahlung der Raumfrequenz f sig. Die MTF ist bezogen auf die Antwort des Bildaufnehmers für f sig =0. H in (x) = H 0 1+ A0cos(2πfsigx) H out Faltung(sintegral) von H in mit der örtlichen Empfindlichkeitsverteilung des Array MTF = MTF D MTF e MTF G MTF L MTF D - Modulationsübertragung eingeschränkt durch Diffusion von Photoladungen, die nicht in der Verarmungsschicht generiert wurden, zu benachbarten Pixel-Speicherplätzen MTF e - Modulationsübertragung eingeschränkt durch unvollständigen Ladungstransport MTF G - Modulationsübertragung eingeschränkt durch begrenzte Anzahl an Pixel/Länge MTF L - Modulationsübertragung eingeschränkt durch Abbildungsfehler der Optik

2 Geometrische MTF für verschiedene Pixelanordnungen f s = 1/P pix Abtastfrequenz f N = f s /2 maximale Signalfrequenz, die gemäß Nyquist- Theorem bei gegebener Abtastfrequenz f s ohne Verfälschung wiedergegeben wird. 1) nichtzusammenhängende Pixel 2) zusammenhängende Pixel 3) überlappende Pixel Bei derselben Anzahl von Pixeln längs einer Zeile hat der IL-CCD Bildsensensor eine höhere MTF G als andere CCD-Bildsensoren.

3 Aliasing und Moiré-Effekt Ausgezogene Kurve: geometrische MTF für aneinander hängende Pixel Gestrichelte Kurve: Frequenzspektrum des mit f s abgetasteten Signals enthält zusätzlich zum Basisband noch Komponenten, die durch Wiederholung und Spiegelung der MTF an den Vielfachen von f s entstehen. Weil die Kurven sich im Bereich von f N =f s /2 bis f s überlagern, erzeugt eine örtliche Abtastung eines Signals der Frequenz f in > f N zusätzlich eine niederfrequentere Spektralkomponente im Ausgangssignal mit der Frequenz f out = f s f in. Sie kann durch Filterung mit einem Tiefpass der Eckfrequenz f s /2 nicht eliminiert und vom eigentlichen Signal unterschieden werden. Es wird daher bei Bildaufnahmesystemen die nutzbare Bandbreite B begrenzt auf: B = 0,7...0,9 f N

4 Zwischenzeilen- (interlaced) und fortschreitende Abtastung a) Auf dem TV-Monitor ergeben zwei um eine Zeile versetzte Halbbilder das ganze Fernsehbild. Dadurch wird die vertikale Auflösung erhöht. Der Bildsensor muss zeitlich nacheinander zwei so versetzte Halbbilder ausgeben. b) Seriell fortschreitende Zeilenausgabe und Wiedergabe

5 Farbaufnahme Streifenfilter für FT CCD-Bildsensor Cyan-Filter absorbiert Rot, Gelbfilter Blau! a) Jede Gruppe von Spalten, wiederholt jeweils nach 4 Spalten, ist mit direkt auf den Pixeln aufgebrachten rot-, grün- und blaudurchlässigen Filterstreifen bedeckt. Entsprechend der Codierung von TV-Farbsystemen (nach Leuchtdichte und Farbort) und der Augenempfindlichkeit tritt Grün in jeder Gruppe 2-fach auf. b) Alternativ werden Farbfiltergruppen mit den komplementären Transmissionsfarben Cyan Cy=B+G und Gelb Ye=R+G sowie Grün G letztere entsteht durch Überlapp von Cy- und Ye Filtern gebildet. Es werden hier nur zwei Farbschichten anstatt drei in einer Gruppe benötigt. Die primären Farben erhält man durch Matrizenrechnung: R=Ye-G, G=G, B=Cy-G

6 Farbaufnahme Mosaikfilter für IL- und MOS-XY - Bildsensor Durch Streifenfilter wird die horizontale Auflösung um mindestens den Faktor 3 gegenüber der filterlosen Aufnahme verringert. Dies ist problematisch beim IL-Bildsensor mit je einer CCD-Auslesespalte neben einer Pixel-Spalte. Dies wird verbessert durch Mosaikanordnungen von Filtern, so dass die horizontale, allerdings auch die vertikale Auflösung nur um den Faktor 2 gegenüber der schwarzen bzw. weißen Wiedergabe reduziert werden. n Zwischenzeile (interlaced) (n+1) Frame-integration Zwischenzeile (interlaced) Field-integration for interlaced lines Farbinformation aus R=Ye-G, G=G, B=Cy-G, Leuchtdichte aus Y=W+G=Ye+Cy=R+2G+B Farbcodierung als R-Y und B-Y Magenta Mg= R+B (Mg+Cy)-(G+Ye)= 2(B-G/2)=2(B-Y)

7 Farbtrennung durch Prisma mit 3 CCD-Bildsensoren

8 Farbaufnahme mit linearen Arrays

9 Bildverstärker Prinzip: Bild wird projiziert auf das transparente Fenster einer Phototube. Durch Licht ausgelöste Elektronen der Photokathode werden auf ein oder mehrere MCP beschleunigt und dort vervielfacht. Weiter beschleunigte Elektronen regen Phosphorschirm zum Leuchten an fache Verstärkung

10 Photokathoden für Bildverstärker Spektrale Empfindlichkeiten verschiedener Photokathoden Typen, die durch Zu- und Wegschalten der Beschleunigungsspannung gatebar sind, haben eine leicht geringere Empfindlichkeit im UV.

11 Microchannel Plate - MCP Mit einer MCP sind Verstärkungen von lm/lm, mit zwei MCP solche von bis zu 10 7 möglich. Verstärkung erfolgt nicht nur durch die Elektronenvervielfachung in der MCP sondern auch durch vielfache Photonenemission des Phosphors als Antwort auf ein hoch beschleunigtes schnelles auftreffendes Elektron.

12 Phosphore für Bildverstärker Für schnelle Bildfolgen wird ein Phosphor mit kurzer Abklingzeit, fürs Nachtsehen ein solcher mit langer Abklingdauer eingesetzt.

13 Ortsauflösung eines Bildverstärkers Die Ortsauflösung, gemessen in lp/mm, ist abhängig von der Elektronenoptik - in der Regel gemäß dem Nahfokus-Prinzip -, der Zahl der MCP-Stufen und der Beschleunigungsspannung

14 Bildverstärker-Anwendungen Bild heißer Elektronen; sichtbar durch Emission bei Rekombination von Minoritätsträgern in einem Transistor. Bildverstärker werden eingesetzt für Bildaufnahmen bei sehr geringen Leuchtdichten in der Astronomie, bei Nachtbeobachtungen, Bio- und Chemilumineszenzerscheinungen, in der Vielkanal-Spektroskopie, bei Hochgeschwindigkeitsaufnahmen etc. Erzeugung von Ruß im Brennraum eines Motors, zeitaufgelöst beobachtbar durch Streuung von Laserlicht an den Rußpartikeln