Was ist Streulicht?

Streulicht ist unbeabsichtigtes, unerwünschtes Licht, das Sensoren in einem optischen System stört. Denken Sie an die Sonnenstrahlen, die man auf im Freien geschossenen Fotos sieht, oder an die zusätzlichen schwebenden Kerzen auf dem Geburtstagskuchen in Videos. Jedes ungeplante Licht im endgültigen Bild wird als Streulicht bezeichnet. Es kann Systeme in unterschiedlichen Anwendungen wie Augmented Reality (AR), fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS), Forschungsarbeit mit dem Mikroskop und weltraumgestützte Bildgebung stören. 

Streulicht wird durch externe Lichtquellen verursacht, die ins System einfallen und mit den inneren Komponenten interagieren. Es gibt verschiedene Arten von Streulicht, und wird durch die Art und Weise unterschieden, wie sich das brechende Licht innerhalb des optischen Systems manifestiert. 

Blendeffekte: Aufgrund interner Reflexionen im System können Blendeffekte als Schlieren oder helle Kreise auf einem Bild erscheinen. Das kommt dann vor, wenn das Objektiv auf ein helles Licht gerichtet ist. Bei Fahrassistenzsystemen, bei denen die genaue Objekterkennung von der Analyse vieler Kameras auf einmal abhängt, können Blendeffekte problematisch sein.

Lichteinfall: Lücken und Öffnungen im optischen System können dazu führen, dass Licht an Stellen einfällt, an denen es nicht vorgesehen ist. Dieses Licht kann von externen Quellen oder aus dem System selbst stammen. Es kann den Kontrast verringern und Bildartefakte erzeugen. Bei LCD-Monitoren und Gerätedisplays kommt es oft zu Lichteinfall, wenn der Rahmen nicht fest sitzt. 

Streuung: Wenn Licht mit Partikeln, Oberflächenunregelmäßigkeiten oder mechanischen Komponenten interagiert, kann es in verschiedene Richtungen streuen, wodurch das endgültige Bild unscharf wird. Bei Geräten, bei denen mehrere Spiegel Teil des optischen Systems sind, wie z. B bei Teleskopen und Satelliten, kann jede Unregelmäßigkeit in der reflektierenden Oberfläche einen Streueffekt erzeugen, der zu Artefakten und Rauschen auf dem endgültigen Bild führt. 

Geisterbilder: Geisterbilder sind ein besonderes Ergebnis der Streuung, die entsteht, wenn das Licht zwischen den optischen Elementen abprallt und Reflexionen verursacht, die ein schwaches Duplikat des Primärbildes erzeugen. Bei medizinischen Anwendungen wie Röntgenstrahlen können Geisterbilder die Messgenauigkeit und die Zuverlässigkeit der Diagnose beeinträchtigen.  

Schleierblendung: Die Schleierblendung, auch Lichtreflexion, bezieht sich auf den Kontrastverlust, der auf einem Bild auftritt, wenn die Lichtquelle länglich ist und Details verdeckt. Sie kann als Kreise oder Streifen erscheinen und überlappt häufig mit hellen Objekten im Bild. In industriellen Umgebungen, in denen Robotersysteme Aufgaben anhand dessen ausführen, was sie „sehen“, kann die Schleierblendung die Wahrnehmung beeinträchtigen. 

Streulicht beeinträchtigt die Leistung und Genauigkeit optischer Systeme, da es die Bildqualität beeinträchtigt. Es kann Artefakte erzeugen, Farben verzerren, Messungen beeinflussen und Umgebungsdetails verdecken. Branchenübergreifend sind Streulichtanalysen und -management wichtig bei der Vermeidung von Problemen, die sich auf Sicherheit, Genauigkeit und Effizienz auswirken können.  

Fahrzeugsicherheit: Fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) sind auf mehrere Kameras angewiesen, die die Fahrzeugumgebung ständig überwachen. Streulicht kann die Wahrnehmung und Analyse von visuellen Informationen durch diese Kameras beeinträchtigen, wodurch die Objekterkennung nicht richtig funktioniert. 

Erfassung in der Luft- und Raumfahrt: Streulicht von der Sonne und anderen Sternen kann in Teleskope und Satelliten einfallen, was die Genauigkeit der Datenerfassung beeinträchtigt und die Missionsziele gefährdet. Auch Piloten, die Heads-up-Displays (HUD) zur Navigation verwenden, können davon betroffen sein, da Blendung durch Streulicht die Lesbarkeit wichtiger Informationen in ihrer Sichtlinie beeinträchtigen kann.  

Genauigkeit in der Medizin: Bei bildgebenden Verfahren in der Medizin wie MRT-Scannern, Röntgengeräten, Dermatoskopen und Lasergeräten für die Augenchirurgie kann Streulicht Artefakte, einen schlechten Bildkontrast und Verzerrungen verursachen, die eine genaue Diagnose und eine erfolgreiche Behandlung gefährden. 

AR/VR-Erlebnisse: Das nahtlose Eintauchen ist das, was die digitale Realität so faszinierend macht. Dringt Streulicht in ein optisches System für Augmented Reality (AR) oder Virtual Reality (VR) ein, stört es die fiktive Umgebung und beeinträchtigt das Benutzererlebnis.

Um derartige Probleme zu vermeiden, muss man in der Lage sein, 1) die Quelle des Streulichts zu identifizieren, 2) zu analysieren, warum es auftritt, und 3) die richtigen Designoptionen zu wählen, um das Problem zu beheben. Zu den möglichen Optionen für den Umgang mit Streulicht gehören die Verwendung von Blenden oder Lichtfallen, um unerwünschtes Licht zu blockieren oder zu absorbieren. Außerdem lassen sich Antireflexionsbeschichtungen und -materialien auf den optischen Oberflächen anbringen sowie Abschirmungen und Blenden am Objektiv, um den Lichteinfall zu verhindern.

Früher war für die Streulichtanalyse ein physischer Prototyp erforderlich. Das bedeutete, dass Streulicht erst am Ende des Prozesses gemessen werden konnte, als es für Modifikationen des Produktdesigns schon zu spät war. Mit Werkzeugen wie Monochromatoren und Spektralradiometern konnte man das Streulicht besser nachvollziehen, was allerdings mit Kosten und Verzögerungen beim Bau des gesamten Geräts verbunden war. Heute verlässt man sich auf Software für optische Simulationen, um optische Systeme zu modellieren und proaktiv die Auswirkungen von Streulicht zu berücksichtigen, lange bevor ein physischer Prototyp gebaut wird. 

Optische und optomechanische Design-Software: Dient der Modellierung des gesamten optischen Systems, einschließlich mechanischer Komponenten wie Spiegelhalterungen, Gehäusehalterungen, Blenden und Objektivtrommeln. So lässt sich das System in verschiedenen Szenarien und unter verschiedenen Bedingungen bewerten.

Raytracing-Software: Dient der Simulation von Lichtstrahlen auf ihrem Weg durch ein optisches System. Mit Raytracing-Software kann man die Auswirkungen von Licht auf die Bildqualität, insbesondere bei komplexen und dezentralen Systemen, analysieren. 

Bildanalysesoftware: Dient der Analyse von Bildern, die von optischen Systemen erzeugt werden. Mit dieser Software lassen sich Artefakte erkennen, die durch Streulicht entstehen, und die Bildqualität und Authentizität beurteilen.  

Mithilfe von Simulationssoftware lässt sich eine Verschmutzung durch Streulicht in Systemdesigns minimieren. Durch die Kenntnis der Quelle, des Verhaltens und der Auswirkungen von Streulicht lassen sich die Leistung optimieren und potenzielle Probleme vermeiden. Diese proaktive Erforschung der Lichtausbreitung liefert auch künftig neue Erkenntnisse und beschleunigt die Innovation bei optischen Techniken, Systemen und Anwendungen. 

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