Objektive

Für die Objektivauswahl werden mindestens benötigt: Sensorgröße Pixelgröße Sichtfeld Arbeitsabstand benötigte Auflösung Mount Wellenlänge geforderte Verzeichnung Tiefenschärfe Basler nennt genau diese Kombination aus Sensor, Bildkreis, Brennweite, Arbeitsabstand, Auflösung und Spezialanforderungen als zentrale Auswahlkriterien.

FOV steht für Field of View. Es beschreibt den Objektbereich, der im Kamerabild sichtbar ist. Beispiel: FOV = 200 × 150 mm Dann erfasst die Kamera in der definierten Arbeitsebene einen Bereich von 200 mm Breite und 150 mm Höhe.

Der Working Distance bzw. Arbeitsabstand beschreibt den Abstand zwischen Objekt und einem definierten Bezugspunkt des Objektivs. Die genaue Herstellerdefinition sollte bei präzisen Berechnungen geprüft werden.

Die Brennweite ist eine grundlegende Eigenschaft eines Objektivs und beeinflusst zusammen mit Sensorgröße und Arbeitsabstand das Sichtfeld. Bei gleichem Sensor und gleichem Arbeitsabstand gilt vereinfacht: kürzere Brennweite → größeres Sichtfeld längere Brennweite → kleineres Sichtfeld

Für eine erste überschlägige Auslegung bei normalen Objektabständen wird häufig verwendet: f ≈ Sensorbreite × Arbeitsabstand / Sichtfeldbreite Beispiel: Sensorbreite = 8,8 mm Arbeitsabstand = 300 mm FOV = 100 mm f ≈ 26,4 mm Das ist nur eine Näherung. Bei kurzen Arbeitsabständen, Makroanwendungen und hohen Genauigkeitsanforderungen sollte mit realen Objektivdaten bzw. Herstellerrechnern gearbeitet werden.

Die F-Zahl beschreibt das Verhältnis von Brennweite zu wirksamer Öffnung. Kleine F-Zahl: große Öffnung mehr Licht geringere Tiefenschärfe Große F-Zahl: kleinere Öffnung weniger Licht größere Tiefenschärfe

Die Tiefenschärfe beschreibt den Bereich um die Fokusebene, der noch mit akzeptabler Schärfe dargestellt wird. Sie hängt unter anderem von: Blende Abbildungsmaßstab Brennweite Arbeitsabstand akzeptiertem Zerstreuungskreis ab.

Nein. Eine kleinere Öffnung bzw. höhere F-Zahl erhöht zunächst die Tiefenschärfe, gleichzeitig wird das Bild dunkler. Bei sehr kleiner Öffnung begrenzt Beugung zunehmend die erreichbare Auflösung. Es gibt daher ein optisches Optimum.

MTF steht für Modulation Transfer Function. Sie beschreibt, wie gut ein Objektiv bzw. Bildgebungssystem Kontrast bei unterschiedlich feinen Strukturen übertragen kann. Ein Objektiv kann also viele „Megapixel“ nominell abdecken, aber feine Strukturen nur mit geringem Kontrast übertragen. Kamera und Objektiv sollten deshalb gemeinsam betrachtet werden.

Kleine Sensorpixel können nur dann einen realen Auflösungsvorteil liefern, wenn das Objektiv entsprechend feine Strukturen mit genügend Kontrast auf den Sensor projiziert. Eine hochauflösende Kamera mit ungeeigneter Optik nutzt daher nicht ihre volle Sensorauflösung.

Weil die Pixelanzahl nur ein Faktor im gesamten optischen System ist. Eine 20-MP-Kamera kann schlechtere Ergebnisse liefern, wenn beispielsweise: das Objektiv nicht ausreichend auflöst zu wenig Licht vorhanden ist der Fokus schlecht eingestellt ist Bewegungsunschärfe entsteht das SNR schlechter ist Mehr Megapixel sind daher kein automatisches Qualitätsmerkmal.

Verzeichnung ist ein geometrischer Abbildungsfehler des Objektivs. Gerade Linien können beispielsweise tonnen- oder kissenförmig erscheinen. Bei präzisen Messaufgaben sollte die Verzeichnung möglichst gering sein oder durch Kalibrierung berücksichtigt werden.

Vignettierung bezeichnet eine Helligkeitsabnahme zum Bildrand. Mögliche Ursachen sind: zu kleiner Bildkreis optische Eigenschaften des Objektivs mechanische Abschattung ungeeignete Adapter

Chromatische Aberration entsteht, weil unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich stark gebrochen werden. Dadurch können Farbsaum oder unterschiedliche Fokuslagen verschiedener Farben entstehen.

Bei sphärischer Aberration werden Lichtstrahlen verschiedener Bereiche einer sphärischen Linsenfläche nicht exakt im gleichen Punkt fokussiert. Dies kann die Bildschärfe reduzieren. Aberrationen wirken sich unter anderem auf MTF, Spotgröße und Bildqualität aus.

Ein Objektiv erzeugt nur einen begrenzten nutzbaren Bildkreis. Der Sensor muss vollständig innerhalb dieses Bildkreises liegen. Ist der Sensor zu groß, können dunkle bzw. unscharfe Bildecken entstehen.

C-Mount ist ein sehr verbreiteter Objektivanschluss in der industriellen Bildverarbeitung. Er besitzt ein 1"-32-UN-Gewinde und ein Auflagemaß von ungefähr 17,526 mm. Ob C-Mount für eine Kamera geeignet ist, hängt zusätzlich von Sensorgröße und Objektivbildkreis ab.

CS-Mount verwendet dasselbe grundlegende Gewinde wie C-Mount, besitzt jedoch ein kürzeres Auflagemaß von ungefähr 12,5 mm. C- und CS-Mount sind daher optisch nicht ohne Weiteres austauschbar.

Das sind Objektivanschlüsse mit größeren Gewindedurchmessern. Sie werden häufig benötigt, wenn größere Sensoren bzw. große Bildkreise eingesetzt werden. Die konkrete Gewindesteigung und mechanische Spezifikation muss immer geprüft werden.

F-Mount ist ein Bajonettanschluss mit deutlich größerem freien Durchmesser als C-Mount. Er wird unter anderem für große Sensoren und große Bildkreise verwendet.

Ein objektseitig telezentrisches Objektiv hält den Abbildungsmaßstab innerhalb seines telezentrischen Arbeitsbereichs weitgehend konstant, auch wenn sich die Objektposition in Z etwas verändert. Dadurch werden perspektivische Größenfehler stark reduziert. Das macht Telezentrie besonders wertvoll für präzise Messaufgaben.

Typische Anwendungen: Durchmesser messen Außenkonturen prüfen Bohrungen vermessen Abstandsmessung Präzisionsmesstechnik Bauteile mit schwankender Z-Position Telezentrie beseitigt jedoch nicht automatisch alle optischen Fehler und bedeutet auch nicht unendliche Tiefenschärfe.

Ein Makroobjektiv ist für große Abbildungsmaßstäbe bzw. kleine Objekte bei kurzen Arbeitsabständen optimiert. Es eignet sich für sehr kleine Komponenten, Strukturen oder Defekte.

Typische Ursachen sind: falscher Arbeitsabstand Fokus außerhalb des Einstellbereichs falsches Objektiv zu geringe Tiefenschärfe Bewegungsunschärfe mechanische Vibration ungeeigneter Zwischenring Zunächst sollte zwischen optischer Defokussierung und Bewegungsunschärfe unterschieden werden.

Ein Zwischenring vergrößert den Abstand zwischen Objektiv und Sensor. Bei vielen Standardobjektiven kann dadurch auf kürzere Objektentfernungen fokussiert und der Abbildungsmaßstab erhöht werden. Gleichzeitig ändern sich Arbeitsabstand und Fokusbereich; ein Zwischenring ist daher nicht einfach eine „Verlängerung ohne optische Auswirkung“.

Mögliche Ursachen: Objektiv für Sensor ungeeignet MTF am Bildrand zu niedrig Sensor/Linse verkippt falscher Fokus Feldkrümmung zu große Öffnung

Häufig: Bildkreis des Objektivs zu klein Adapter blockiert Strahlen Filter bzw. Tubus mechanisch zu klein ungeeignete Optik

Prüfen: tatsächliche Sensorbreite verwendete ROI reale Brennweite Arbeitsabstand Fokusposition Zwischenringe Verzeichnung

Für eine grobe Abschätzung: f ≈ Sensorbreite × Arbeitsabstand / FOV Für präzise Auslegung reale Objektivdaten bzw. Herstellerrechner verwenden.

Prüfen: Mount Sensorgröße Bildkreis Pixelgröße/MTF Brennweite FOV Arbeitsabstand Verzeichnung Wellenlänge Blende Ein Objektiv sollte nicht nur mechanisch passen, sondern auch optisch zum Sensor.

Zuerst müssen Sensorgröße, Pixelpitch, gewünschtes FOV, Arbeitsabstand und Mount feststehen. Danach wird eine Fujinon-Serie gewählt, die: den Sensor vollständig abdeckt zur Pixelauflösung passt den gewünschten Brennweitenbereich besitzt die geforderte Verzeichnung erreicht Fujinon gibt für seine Machine-Vision-Serien Sensorgröße und geeignete Pixel-Pitches an.

Wenn perspektivische Größenänderungen die Messung relevant verfälschen würden. Besonders bei: Präzisionsdurchmessern Kantenmessung Objekten mit Z-Toleranz hochgenauer Geometrieprüfung

Sensorgröße, Pixelgröße und Objektiv-MTF bestimmen zusammen die tatsächlich nutzbare Bildinformation.