Immer genau im Fokus

Physik Journal - Mit dem Wellenfront-Kodierverfahren braucht ein Kameraobjektiv über weite Bereiche nicht mehr zu fokussieren.

„Portrait mit Landschaft“: Das ist scheinbar eine leichte Aufgabe für Urlaubsfotografen. Doch entweder ist nur die Person oder nur der malerische Hintergrund scharf abgelichtet. Dieses Problem der mangelnden Tiefenschärfe lässt sich mit einem gekoppelten System aus Fourier-Linsen und digitaler Bildbearbeitung lösen. Mit dem Wellenfront-Kodierverfahren braucht ein solches Kameraobjektiv über weite Bereiche nicht mehr zu fokussieren. Sowohl Nase als auch der weit entfernte Berggipfel lassen sich gleichzeitig konturgetreu festhalten.

Anhand des Fotos eines nach hinten geneigten Streifenmusters lässt sich sehr gut erkennen, wie sich mangelnde Tiefenschärfe (oben) mit Hilfe des sog. Wellenfront-Kodierverfahrens vermeiden lässt (unten). (Foto: CDM Optics)

Das Anfang der 1990er Jahre vom Amerikaner Edward Dowski vorgeschlagene Wellenfront-Verfahren will der Physiker Andy Harvey von der Heriot Watt University im schottischen Edinburgh nun für günstige Kameras in Handys nutzen. Dazu beschichtet er eine Linse mit einer rund 50 Mikrometer dünnen Schicht aus Germanium. Diese wirkt durch eine feine Strukturierung wie ein Phasenfilter auf die einfallenden Lichtstrahlen. Im Fourier-Raum werden dadurch die Wellenfronten gleichmäßig über das komplette Bildfeld verändert. Das Ergebnis ist ein durchweg unscharfes Bild, allerdings mit einem überall identischen Grad der Defokussierung. Nachdem dieses so „codierte“ Bild mit einem CCD-Chip aufgenommen wurde, lassen sich die Bilddaten im Computer nachbearbeiten und „entschlüsseln“. Das Programm nutzt dabei die vom Phasenfilter vorgegebene, bekannte Veränderung der Wellenfronten. Das Ergebnis ist eine scharfe Aufnahme mit einer bis zu zehnfach bessere Tiefenschärfe als es mit konventionellen Linsensystemen möglich ist. Lediglich das Signal-Rauschverhältnis der Bilddaten wäre nach Aussage Harveys noch verbesserungswürdig.

Während Dowski das Wellenfront-Verfahren in seiner Firma CDM-Optics in Boulder bereits für optische Instrumente wie Mikroskope, Endoskope oder Barcode-Scanner anwendet, schielt Harvey auf den Massenmarkt der Fotohandys. Ohne einen verstellbaren, mechanischen Fokus könnte mit den Fourier-Phasenfiltern die Bildqualität deutlich steigen. Erste Kontakte zu Handy-Herstellern existieren bereits. Doch dieses Verfahren eignet sich auch für Infrarot-Kameras. Die Zusammenarbeit Harveys mit der Firma QinetiQ, hervorgegangen aus dem britischen Zentrum für Verteidigungsforschung Dera, zeigt das Interesse für militärisch genutzte Wärmekameras, die auch nachts immer scharfe Bilder vom Gegner machen sollen.

Jan Oliver Löfken

Quelle: Physik Journal, November 2004