Prinzip Tiefpassfilter

[schlagschatten]

Ich habe mich gerade gefragt, wozu eigentlich genau der Tiefpassfilter da ist und wie er funktioniert.
Hier mein erster Versuch: Bei Bayer-Matrix Sensoren kann es insbesondere zu Farbaliasing-Artefakten kommen (neben den farblosen Aliasing-Artefakten, die immer beim Digitalisieren auftreten können). Es ist daher notwendig, das Rohbild mit einem räumlichen Tiefpass (OLPF = optical low pass filter) zu filtern. In der Regel werden hierzu OLPF genommen, die aus dobbelbrechenden Kristallen hergestellt sind. Es empfiehlt sich diese mit einem Depolarisator zu kombinieren. Dieser besteht aus einer Lambda/4 -Verzögerungsplatte.
Stimmts ?

 

[Oskar]

..und du hast verstanden was du geschrieben hast? Ich jedenfalls nicht. Sorry. Werde mich aber mal eben schlau machen.


so machts Canon:

http://www.canon.de/About_Us/News/Consumer_Releases/foto/Tiefpassfilter.asp

Gruß

 

[schlagschatten]

Ich bin Physiker- Mir fehlen nur die technischen Infos zum Hintergrund.

Ok -Aus Canons Beschreibung werde ich etwas schlauer. Allerdings funktioniert dann der Filter nur bei unpolarisiertem Licht, da sonst der erste Tiefpassfilter nicht funktioniert.

 

[Wonko]

vielleicht mal zur Funktion:

CCDs können nun einmal zum Moiree-Effekt führen, vor allem wenn man regelmäßige Muster aufnimmt. Wenn man nun ein wenig den Detailgrad reduziert (also eigentlich Schärfe) wegnimmt (die hohen Frequenzen im Bild), verschwindet der Moiree-Effekt. Das macht der optische Tiefpass. Er lässt ein ein wenig weichgezeichnetes Bild an den CCD.

Grüße,
Nicolas.

/edit: Wenn Du Physiker bist, solltest Du in der Lage sein, das etwas besser zu beschreiben, oder wenigstens vorher ein wenig googeln, bevor du irgendwas hier reinstellst, was ohne weiteres im Netz leicht und halbwegs korrekt zu finden ist..

Jetzt steht da ja auch schon ein link..

 

[patrickhh]

Hat der Tiefpassfilter nicht mit Nyquist zu tun?
Analog zum Tiefpassfilter z.B. beim A/D-Wandler in der Soundkarte?

http://de.wikipedia.org/wiki/Nyquist-Frequenz
http://de.wikipedia.org/wiki/Alias-Effekt

 

[Wonko]

Genau!

Bei Wikipedia siehe auch:

http://de.wikipedia.org/wiki/Nyquist-Shannon-Abtasttheorem
und
http://www.wikipress.de/Moiré-Effekt

Grüße,
Nicolas.

 

[schlagschatten]

@Wonko: Was ist denn Dein Problem mit meinem Beitrag ? Ich meine nicht, dass irgendwo im Netz das Thema erschöpfend behandelt ist. Der Canon-Link ist einer der wenigen hilfreichen Beiträge.

Die Verletzung des Nyquist-Kriteriums führt zu Aliasing. Der optisch "Moire" genannte Effekt bedeutet ein Undersampling des Signals - sprich die Datendichte reicht nicht aus, um das Signal ausreichend dicht abzutasten. Es entsteht eine scheinbare Wellenlänge im abgetasteten Signal, die längerwelliger ist als das Ursprungssignal. Daher müssen Signale vor der Digitalisierung tiefpassgefiltert werden. soweit war mir alles klar.
Im Falle eines Bayer Matrix Sensors ist aber das Hauptproblem nicht das normale Moire, sondern das Farbmoire. Siehe Bild hier
Das ist ein entscheidendes Detail.

Ich fragte mich, wie der TP-Filter in der Kamera genau funktioniert und welche Schlussfolgerungen man daraus ziehen kann.

So bedeutet die Benutzung von doppelbrechenden Kristallen für den Filter, dass unter Umständen bei Auftreffen von linear polarisiertem Licht "unglücklicher" Orientierung auf den Filter ein neues Artefakt entstehen kann, da die Aufspaltung in zwei Teilstrahlen nicht mehr funktioniert.

 

[Wonko]

Moin!

Hatte in deinem Ursprünglichen Beitrag halt vor allem eine Anhäufung von Schlagwörtern ohne eigentliche Erklärung gefunden, aber jetzt gehts ja..

Meinst Du ernsthaft, dass hier jeder weiß, was ein Lambda/4-Plättchen ist und wie es funktioniert?

Der Hinweis auf die Polarisationsproblematik ist vermutlich aber richtig, wundert mich allerdings, dass es dann in Verbindung mit Polfiltern nicht zu ernsthafteren Problemen kommt...

Grüße,
Nicolas.

 

[Mi67]

Der Hinweis auf die Polarisationsproblematik ist vermutlich aber richtig, wundert mich allerdings, dass es dann in Verbindung mit Polfiltern nicht zu ernsthafteren Problemen kommt...

Der Hinweis auf die Polarisationsproblematik ist keinesfalls richtig. Fakt ist nicht, dass die erste AA-Filterschicht polarisiertes Licht nutze oder ausschliesse, sondern Fakt ist, dass *hinter* der ersten Filterdimension (z.B. vertikales Verstreuen um 1 Pixelbreite) das Licht polarisiert ist. Um nun Interferenzereignisse in der zweiten Filterdimension (z.B. horizontales Zerstreuen) zu verhindern, muss die Polarisation zirkularisiert werden. Dies geschieht ebenso wie beim linearen Polfilter mit Hilfe einer lambda/4-Schicht.

Um zum Antialiasingfilter selbst zurückzukommen:
technischer Hintergrund ist ein elektrooptischer Effekt, der z.B. in Lithiumniobat (ein mögliches Baumaterial für AA-Filter) stattfindet: Licht unterliegt dabei durch Interaktion mit dem Kristallgitter einer Doppelbrechung, die je nach Dünne oder Dicke des Filters zu leichter oder stärkerer Verschmierung in einer Raumrichtung (diese wird durch das Kristallgitter vorgegeben) führt.

Kurze Illustration (mit englicher Beschreibung) findet man hier:
http://www.mellesgriot.com/glossary/wordlist/glossarydetails.asp?wID=116

Die Dicke des AA-Filters bestimmt mit der Weglänge des im Winkel aufgespaltenen Lichtes ("ordentlicher" und "ausserordentlicher Strahl") im Kristall auch gleichzeitig die Stärke des Antialaiasing-Effektes. Nach einer solchen Lowpass-Filterschicht wird also das Licht durch Lambda/4-Schicht wieder zirkularisiert und dann durch ein zweites, in orthogonaler Richtung arbeitendes Lowpass-Filter geschickt. Fertig ist das Antialiasingfilter.

Da hier Kristalle zum Einsatz kommen, mag es auch verständlich werden, dass solche Filter nicht gerade billig sind.

Wen es interessiert, hier ein Paar Preise von LiNbO3-Wafern verschiedener Dicke:
http://www.thorlabs.com/NewGroupPage9.cfm?ObjectGroup_ID=721&Visual_ID=1631

 

[schlagschatten]

@Mi67: Wenn unpolarisiertes Licht auf einen doppelbrechenden Kristall fällt, dann wird in zwei senkecht zueinander polarisierte Teilstrahlen aufgespalten.
Wenn jedoch bereits in Richtung der optischen Achse des Kristalls linear polarisiertes Licht (z.B. durch Nutzung eines Linearpolfilters oder bei Reflexion an einer Wasserfläche) auftrifft, dann wird es nicht noch einmal aufgespalten. Es gibt in diesem Fall nur diesen einen Strahl. (siehe Kapitel 6.5.3 hier oder noch etwas deutlicher hier)
Daher kann die Doppelbrechung nicht mehr zuschlagen.
Bei Zirkularpolfiltern sieht die Sache natürlich anders aus. Dies ist ein zusätzliches (*) Argument für deren Nutzung.
(* neben dem Einfluss von Linearpolfiltern auf die AF-Sensoren)

@Wonko: Nein - nicht jeder weiss, was ein Lambda/4-Plättchen ist. Aber nicht jeder will auch so genau wissen, was beim Tiefpassfilter vorgeht.
Das der Polarisationseffekt so selten zuschlägt, liegt an der Forderung, dass die optische Achse des Kristalls genau getroffen werden muss. In der Regel wird man diesen Fall nicht vorfinden. (Mein letztes Posting war da etwas ungenau)

 

[Mi67]

@Mi67: Wenn unpolarisiertes Licht auf einen doppelbrechenden Kristall fällt, dann wird in zwei senkecht zueinander polarisierte Teilstrahlen aufgespalten.

Klar, geht ja auch aus der von mir verlinkten Grafik gut hervor. Interferenz mit der zweiten Filterebene geschieht, weil der nicht abgelenkte und der abgelenkte Strahlenteil jeweils andere Polarisationsrichtungen haben und dann in der zweiten Filterdimension ungleich behandelt würden. Das Lambda/4-Plättchen verhindert diese unerwünschte Interferenz mit der zweiten Filterebene.

Wenn jedoch bereits in Richtung der optischen Achse des Kristalls linear polarisiertes Licht (z.B. durch Nutzung eines Linearpolfilters oder bei Reflexion an einer Wasserfläche) auftrifft, dann wird es nicht noch einmal aufgespalten.

Ach das meintet ihr mit dem Problem, wenn ein Polfilter vorgeschaltet wird! Hatte ich flasch verstanden.

Nötigenfalls könnte man auch einfach noch eine zweite Lambda/4-Schicht direkt vor der ersten AA-Filterebene einbauen. Ob dies in den Kameras der Fall ist? Ich glaube nicht, weil ...

Das der Polarisationseffekt so selten zuschlägt, liegt an der Forderung, dass die optische Achse des Kristalls genau getroffen werden muss. In der Regel wird man diesen Fall nicht vorfinden. (Mein letztes Posting war da etwas ungenau)

... es so sein dürfte, wie Du hier schreibst.

Ansonsten müsste man nach Effekten bei Nutzung linearer Polfilter suchen, die sich in einem Fehlen einer der beiden Ebenen des Antialiasing äussern. Ich wüsste nicht einmal, ob ich dies im Falle eines Falles überhaupt korrekt erkennen und zuordnen könnte. Es müssten im Grunde wiederum Moirée-Muster sein, welches möglicherweise einfach deutlich weniger stark ausgeprägt ist, als beim kompletten Fehlen des AA-Filters. Wer mag mal solche Störungen provozieren und nachweisen? ;-)

 

[Nightshot]

Die Dicke des AA-Filters bestimmt mit der Weglänge des im Winkel aufgespaltenen Lichtes ("ordentlicher" und "ausserordentlicher Strahl") im Kristall auch gleichzeitig die Stärke des Antialaiasing-Effektes.

Hast du mal ausgerechnet welche Dicke Lithiumniobat man für die sagen wir mal 1 Pixel breite Filterung man braucht? Eigentlich muss man dazu doch nur den Winkel wissen, unter dem die beiden Strahlen aufspalten. Könnte das erklären, warum dieses Filterpacket immer so um die 3mm Dicke hat?

 

[Mi67]

Hast du mal ausgerechnet welche Dicke Lithiumniobat man für die sagen wir mal 1 Pixel breite Filterung man braucht? Eigentlich muss man dazu doch nur den Winkel wissen, unter dem die beiden Strahlen aufspalten. Könnte das erklären, warum dieses Filterpacket immer so um die 3mm Dicke hat?

Mag sein. Leider erzählte mit Tante Google bislang dazu nichts real erhellendes.

 

[schlagschatten]

Ich habe eine Tabelle zu Lithiumtriborat gefunden. In einer der Kristallrichtungen ist der Doppelbrechungswinkel 1.05° [*] (in einer anderen 0,5 °). Das heisst für meine D50, deren CCD 23,7 mm x15,6 mm groß ist: Pixelabstand = 7,8 µm (23mm / 3008 Pixel). Daraus folgt eine nötige Dicke der ersten Filterschicht von 0,42 mm, um eine Verschiebung von 7,8 µm zu erreichen. Das Ganze braucht man zweimal und dazu die Dicke des Lambda/4-Plättchens, die nicht genau festgelegt ist [**]. Also sind 2 - 3 mm Dicke für den ganzen Filter realistisch.

[*]
- Aus der Tabelle wird außerdem klar, dass das Ganze geringfügig wellenlängenabhängig ist.
- Andere Materialien haben andere Doppelbrechungswinkel. Die Größenordnung ist jedoch ähnlich.
Nachtrag: Ich habe die Sache mal für Lithiumniobat durchgerechnet:
Für die Brechungsindices 2,316 und 2,228 und einigen "weiteren üblichen Randbedingungen" ergibt sich ein Doppelbrechungswinkel von etwa 2,2°. Der erste Filter kann dann entsprechend dünner ausfallen.

[**]
Sie muss aber zu einem optischen Gangunterschied von Pi/2 führen: Dicke d = Lambda/(4 * Delta_n); Delta_n = Differenz der Brechungsindices im Material (siehe Wikipedia Verzögerungsplatte)
Beispiel Quarz (Delta_n = 0.009): z.B. d_min = 500nm / ( 4 * 0.009) = 14 µm

 

[Bamamike]

Und fuer die technisch nicht so interessierten User:
Diese Diskussion begruendet, warum an der Cam kein linearer Polfilter, sondern nur zirkulare erlaubt sind. Den Photographen interessiert das nicht so dolle, der moechte gute Bilder, aber ich kann den Ersteller aus seiner Sicht verstehen, Naturwissenschaftler und Ingenieure wollen eben wissen, wie es funktioniert und warum.

 

[Mi67]

Und fuer die technisch nicht so interessierten User:
Diese Diskussion begruendet, warum an der Cam kein linearer Polfilter, sondern nur zirkulare erlaubt sind. Den Photographen interessiert das nicht so dolle, der moechte gute Bilder, aber ich kann den Ersteller aus seiner Sicht verstehen, Naturwissenschaftler und Ingenieure wollen eben wissen, wie es funktioniert und warum.

EIgentlich ist das zirkulare Polarisationsfilter eher dafür da, den Belichtungsmesser und den AF nicht zu verwirren, da diese durch einen halbdurchlässigen Spiegel befüttert werden (Beli durch Reflexion auf die Mattscheibe, AF-Modul durch Transmission und Zweitspiegel zum Spiegelkasen-Boden). Da halbdurchlässige Schichten oft eine Polarisationsabhängigkeit ihres Reflexionsverhaltens zeigen, ist eine dem Polfilter nachgelagerte Zirkularisierung per lambda/4-Schicht anzuraten.

Wer dies nicht tut, wird feststellen, dass die Kamera durchaus auch mit linearme Polfilter funktioniert. Allerdings wird die Belichtungsmessung dann etwas weniger zuverlässig, wenn auch diese Fehler nicht allzu gravierend sind.

 

[GMil]

Wir hatten hier im Forum mal ein Foto aus einer 5D mit einem "unerklärlich" vermatschten Reetdach bei ansonsten sehr guter Bildqualität und Auflösung. Ich könnte mir vorstellen, daß da die Struktur des Dachs mit dem Filter und / oder dem Sensor in Wechselwirkung trat. Es gibt also vermutlich doch sichtbare Ergebnisse für das (seltene) Versagen der Struktur-Kompensationsvorkehrungen in der Kamera, nur können wir die i.d.R. nicht genau zuordnen.

 

[Mi67]

Wir hatten hier im Forum mal ein Foto aus einer 5D mit einem "unerklärlich" vermatschten Reetdach bei ansonsten sehr guter Bildqualität und Auflösung. Ich könnte mir vorstellen, daß da die Struktur des Dachs mit dem Filter und / oder dem Sensor in Wechselwirkung trat. Es gibt also vermutlich doch sichtbare Ergebnisse für das (seltene) Versagen der Struktur-Kompensationsvorkehrungen in der Kamera, nur können wir die i.d.R. nicht genau zuordnen.

Da gerade die 5D ein recht schwaches Antialiasing betreibt, sind hier die Störungen wohl eher durch Aliasing selbst bedingt. Dass dabei ein lineares Polfilter im ungünstigen Fall noch verstärkend wirken könnte, ist durchaus denkbar - aber in der Tat a) vermutlich nicht allzu häufig und b) nur schwer auf das Polfilter eindeutig rückführbar.

Mal schauen, ob ich mal einen aussagekräftigen Provokationstest hinbekomme ...

 

[Mi67]

(.)

 

[kuddl]

ist jetzt echt ot , aber da ja scheinbar gerade alle koryphäen
zusammen sind:
hat jemand 'ne idee, wo ich einen lambda/4-filter herbekommen
könnte? die sind ja bei fachhändlern affig teuer. ich dachte da an
50 oder 60mm durchmesser.
schönen dank schon mal...