Der technische Aufbau eines Objektivs
Welche Objektivtypen gibt es?
In der Regel wird zwischen entozentrischen und telezentrischen Objektiven unterschieden:
Entozentrische Objektive
Entozentrische Objektive zählen zu den am häufigsten eingesetzten Objektivtypen in der industriellen Bildverarbeitung. Sowohl Festbrennweiten als auch Zoomobjektive basieren auf diesem optischen Prinzip, das der natürlichen Wahrnehmung des menschlichen Auges ähnelt.
Bei einem entozentrischen Normalobjektiv bleibt der Öffnungswinkel konstant, unabhängig davon, ob es auf das Objekt oder den Sensor ausgerichtet ist. Im Gegensatz dazu kann der Öffnungswinkel bei entozentrischen Zoomobjektiven variieren. Als Normalobjektive gelten Objektive, deren Öffnungswinkel mit etwa 50 Grad dem des menschlichen Auges entspricht.
Eigenschaften
Bei entozentrischen Objektiven erscheinen Objekte, die näher an der Kamera liegen, größer, während weiter entfernte Objekte kleiner wirken. So lässt sich der Bildausschnitt auch bei Festbrennweiten gut anpassen. Je weiter das Objekt entfernt ist, desto größer wird der Bildausschnitt, je näher das Objekt ist, desto kleiner wird er.
Der Arbeitsabstand kann bis zur vom Hersteller angegebenen minimalen Objektdistanz (MOD) reduziert werden. Durch das Einsetzen von Zwischenringen lässt sich dieser Abstand weiter verringern, was jedoch optische Bildfehler verursachen kann. Dieser Effekt stellt insbesondere bei Weitwinkelobjektiven eine Herausforderung dar. Dabei wird das Objekt in der Bildmitte zwar vertikal erfasst, zu den Bildrändern hin verschiebt sich der Blickwinkel jedoch zunehmend. Durch das Schließen der Blende und die damit verbundene Erhöhung der Tiefenschärfe kann dieser Effekt reduziert werden.
Anwendungen mit entozentrischen Objektiven
Telezentrische Objektive
Telezentrische Objektive werden vor allem in präzisen Messanwendungen eingesetzt, insbesondere dort, wo sich die Objektposition innerhalb des Bildfelds in X- und Y-Richtung verändert und dennoch verzerrungsfreie Ergebnisse erforderlich sind.
Bei diesen Optiken beträgt der Öffnungswinkel in einem definierten Bereich nahezu null Grad. Dadurch verlaufen die Lichtstrahlen nahezu parallel zur optischen Achse, was perspektivische Verzerrungen verhindert. Dadurch bleibt die Abbildung über das gesamte Sichtfeld konstant, unabhängig davon, ob sich das Objekt näher an der Kamera oder weiter entfernt befindet. Telezentrische Objektive sind besonders geeignet für präzise Längen-, Breiten- und Positionsmessungen, bei denen ein konstanter Abbildungsmaßstab entscheidend ist.
Telezentrische Systeme fokussieren im Gegensatz zu entozentrischen Objektiven nicht nur im Bildzentrum, sondern auch an den Bildrändern senkrecht auf das Objekt.
Einsatzbereiche von telezentrischen Objektive
Telezentrische Optiken kommen insbesondere bei Mess- oder Inspektionsaufgaben zum Einsatz:
Vergleich von Strukturen auf unterschiedlichen Objektebenen
Beispielsweise bei der Vermessung von Bohrungen an Ober- und Unterseite eines Werkstücks sorgt die telezentrische Optik für einen einheitlichen Abbildungsmaßstab und ermöglicht zuverlässige Vergleichsmessungen.Variable Objektabstände bei ungenauer Zuführung
Wenn der Abstand zwischen Objektiv und Objekt nicht exakt reproduzierbar ist, etwa durch Toleranzen in der Zuführung oder Positionierung, bleibt die Abbildung mit einer telezentrischen Optik dennoch maßstabgetreu.Inspektion und Vermessung von Bohrungen und Innenkonturen
Mit einer telezentrischen Optik lassen sich Bohrungen oder Vertiefungen ohne perspektivische Verzerrung und ohne Einblick in schräge Wandungen darstellen. Die Konturen bleiben exakt, was besonders für präzise Lagemessungen, Durchmesserprüfungen oder Qualitätskontrollen entscheidend ist.
Zur optimalen Ausleuchtung solcher Anwendungen empfiehlt sich der Einsatz von Flächenbeleuchtungen. Diese sorgen für eine homogene, schattenfreie Ausleuchtung.
Direktvergleich zwischen entozentrischen und telezentrischen Objektiven
| Entozentrisches Objektiv | Telezentrisches Objektiv | |
|---|---|---|
| Öffnungswinkel | ca. 50 °C | Nahezu 0 °C (parallel) |
| Perspektivische Verzerrung | Ja | Nein |
| Abbildungsmaßstab | Variabel bei Tiefenänderung | Konstant |
| Messgenauigkeit | Eingeschränkt | Sehr hoch |
| Darstellung von Seitenwänden | Möglich (z. B. mit Fisheye) | Nicht möglich |
| Typische Anwendung | Visuelle Prüfung, allgemeine Anwendungen | Präzise Messtechnik |
Die entscheidenden Auswahlkriterien für das passende Objektiv
Arbeitsabstand
Objektgröße
Sensorgröße
Die Sensorgröße, die von der Kamera vorgegeben wird, hat einen direkten Einfluss auf die Abbildungsgröße und ist entscheidend für die Wahl der geeigneten Optik. Größere Sensoren benötigen in der Regel hochwertigere und größere Objektive, um die gesamte Sensorfläche auszuleuchten und eine hohe Bildqualität sicherzustellen.
Abstand der Optik zum Sensor
Der Abstand der Optik zum Sensor ist durch den Kamerahersteller und das verwendete Anschlussgewinde definiert. Dabei gibt es verschiedene Auflagemaße. Zusätzlich kann der Abstand durch den Einsatz von Zwischenringen und Brennweitendopplern angepasst werden.
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*Der Arbeitsabstand beschreibt den Abstand von der Vorderkante der Optik bis zur Oberfläche des Prüfobjekts.
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Weitere Entscheidungskriterien
Eine hochwertige Optik muss auf die Kamera, ihren Bildsensor sowie den jeweiligen Verwendungszweck abgestimmt sein. Abhängig von der Anwendung, wie beispielsweise Messungen, Farbtests, Inspektionen mit Infrarotstrahlung, Robotikanwendungen oder Anwesenheitskontrollen, sind unterschiedliche Anforderungen an die optische Qualität zu berücksichtigen.
Die wichtigsten Einstellparameter und Entscheidungskriterien bei der Auswahl eines Objektivs sind:
Auflösungsvermögen von Sensor- und Pixelgrößen
Für eine optimale Bildqualität ist die Abstimmung zwischen Sensor und Objektiv entscheidend. Das Objektiv sollte eine hohe optische Qualität besitzen, um Details präzise auf dem Bildsensor abzubilden. Dabei spielt die Pixelgröße eine zentrale Rolle: Je kleiner die Pixel, desto höher müssen Auflösung und Abbildungsleistung des Objektivs sein, um die volle Sensorleistung auszuschöpfen.
Moderne Fertigungstechnologien ermöglichen zunehmend kompaktere Sensoren mit feineren Pixelstrukturen. Dieser Trend zu kleineren Sensoren und Pixeln steigert die Integrationsdichte und ermöglicht eine effizientere Materialnutzung. Gleichzeitig verbessern Fortschritte in Lichtempfindlichkeit und Rauschunterdrückung die Bildqualität auch bei kleinen Pixeln.
Grundsätzlich gilt jedoch: Größere Sensoren mit größeren Pixeln liefern häufig eine höhere Lichtausbeute und bessere Bildqualität, benötigen aber mehr Platz und sind in der Regel mit höheren Kosten verbunden.
Einfluss von Pixelgröße und Objektivauflösung auf die Bildqualität
Die zugehörige Grafik zeigt den Zusammenhang zwischen der Pixelgröße eines Kamerasensors und der optischen Auflösung des verwendeten Objektivs. In beiden Beispielen bleibt die Sensorgröße konstant, während die Pixelgröße abnimmt und die Gesamtauflösung entsprechend zunimmt.
Bei Sensoren mit niedriger Auflösung, also größeren Pixeln, zeigen sich in der Regel keine signifikanten Unterschiede im Bildergebnis zwischen verschiedenen Objektiven. Mit abnehmender Pixelgröße steigen jedoch die Anforderungen an die Abbildungsleistung des Objektivs. In diesem Fall kann die optische Qualität des Objektivs maßgeblich zur Bildschärfe und Detailtreue beitragen.
Überschreitet die Sensorauflösung die optische Leistungsfähigkeit des Objektivs, kann dies die Bildqualität sichtbar beeinträchtigen. Liegt die Pixeldichte hingegen innerhalb der vom Objektiv übertragbaren Grenzfrequenz, ist eine effiziente Ausnutzung des Sensors möglich.
Die Gesamtbildqualität eines Kamerasystems wird somit nicht allein durch den Sensor bestimmt, sondern durch das Zusammenspiel aller optischen und elektronischen Komponenten. Eine abgestimmte Systemauslegung ist daher entscheidend für die zuverlässige Erfassung feiner Strukturen in anspruchsvollen Bildverarbeitungsanwendungen.
Bildkreisdurchmesser
Objektive mit gleichem Anschlussstandard, wie z. B. C-Mount, können sich im Bildkreisdurchmesser unterscheiden. Der Bildkreis bezeichnet den Bereich, den ein Objektiv gleichmäßig ausleuchtet, ohne nennenswerte Randabschattung oder Helligkeitsabfall.
Für eine vollständige und homogene Ausleuchtung der Sensorfläche muss der Bildkreisdurchmesser des Objektivs mindestens dem der Sensorgröße entsprechen.
Objektive mit größerem Bildkreisdurchmesser können ebenfalls verwendet werden. Sie verändern den Bildwinkel und sind typischerweise mit größeren Abmessungen und höheren Kosten verbunden, ohne die Bildqualität bei gleichbleibender Sensorgröße zu verbessern.
Blendeneinstellung
Die Blende ist die variable Öffnung im Objektiv, durch die Licht auf den Sensor gelangt. Ihre Größe wird durch eine Anordnung überlappender Lamellen gesteuert und entspricht funktional der Pupille des menschlichen Auges. Eine kleinere Blendenöffnung (höhere Blendenzahl) reduziert die Lichtmenge, verlängert die Belichtungszeit und erhöht die Tiefenschärfe. Eine größere Blendenöffnung (niedrigere Blendenzahl) lässt mehr Licht ein, ermöglicht kürzere Belichtungszeiten, verringert jedoch die Tiefenschärfe.
Die Blende beeinflusst direkt:
die Belichtungszeit der Kamera
die Tiefenschärfe im Bild
Tiefenschärfe
Die Tiefenschärfe bezeichnet den Bereich entlang der optischen Achse, in dem Objekte im Bild ausreichend scharf dargestellt werden. Sie hängt von Blendenöffnung, Brennweite und Abbildungsmaßstab ab. Für Prüf- und Messaufgaben ist es entscheidend, dass alle relevanten Merkmale innerhalb dieses Bereichs liegen. In fest definierten Kamerasystemen wird die Tiefenschärfe primär über die Blendenöffnung gesteuert: Eine kleinere Blende (höhere Blendenzahl) erhöht die Tiefenschärfe, reduziert jedoch die Lichtmenge und erfordert längere Belichtungszeiten. Ein Bild gilt als scharf, solange die Unschärfe kleiner als die Pixelgröße des Sensors bleibt.
Minimale Objektdistanz (MOD)
Die MOD bezeichnet den kürzesten Abstand zwischen der Frontlinse eines Objektivs und dem Objekt, bei dem noch eine scharfe Fokussierung möglich ist. Sie wird durch die optische Konstruktion, die Brennweite und die Mechanik des Objektivs bestimmt.
Weitwinkelobjektive verfügen in der Regel über eine geringere MOD. Eine Verkleinerung ist auch durch Abblenden oder den Einsatz von Zwischenringen möglich, welche den Objektabstand zum Sensor vergrößern und so die Naheinstellgrenze reduzieren.
Zwischenringe
Zwischenringe werden zwischen Objektiv und Kamera montiert und vergrößern den Abstand zwischen Sensor und Linsengruppe (Bildweite). Dadurch kann die Naheinstellgrenze des Objektivs reduziert werden. Das Objekt lässt sich näher an die Optik heranführen und das abgebildete Objektfeld wird kleiner. So lassen sich auch sehr kleine Bildausschnitte, z. B. im Bereich von 9 mm × 6 mm, mit Standardobjektiven scharf erfassen. Zwischenringe bieten damit eine effiziente Möglichkeit für Nahaufnahmen und können eine Alternative zu Makroobjektiven darstellen.
Vignettierung
Vignettierung bezeichnet die Randabdunkelung eines Bildes, die Messergebnisse verfälschen und die Objekterkennung, insbesondere bei binärbildbasierten Algorithmen, erschweren kann.
Zur Reduzierung dieses Effekts empfiehlt sich entweder eine kleinere Blendenöffnung oder der Einsatz leistungsstarker, gleichmäßiger Beleuchtung. Dadurch werden flach einfallende Randstrahlen minimiert, die typischerweise für die Abdunkelung verantwortlich sind.
