FAQ

Optik

Was ist die numerische Apertur, bzw. was versteht man unter der Lichtstärke eines Objektives?

Damit ist die größte relative Öffnung eines Objektives gemeint. Sie begrenzt die maximale, aufnehmbare Lichtmenge und ist damit ein Maß für die Öffnung eines optischen Systems.
Anders ausgedrückt: sie ist das Verhältnis der größten wirksamen Blendenöffnung zur Brennweite eines Objektivs.
Was wird durch die Blendenzahl bestimmt?

Die Blendenzahl (k) legt das Verhältnis zwischen der Brennweite (f) und dem Blendendurchmesser (d) fest. Es ist die wirksame Öffnung eines Objektives. Berechnen lässt sich diese Größe durch:



Die Blendenreihe eines Objektives wird durch folgende Zahlen definiert:

1 1,4 2 2,8 4 5,6 8 11 16 22 32 64

wobei die Werte in einem festen Verhältnis von zueinander stehen. Die Beleuchtungsstärke wird von Blendenzahl zu Blendenzahl halbiert. Bei jedem „Abblenden“ verringert sich die durchgelassene Lichtmenge exakt um die Hälfte.
Was ist der Abbildungsmaßstab?

Der Abbildungsmaßstab gibt das Verhältnis zwischen Bildgröße (a`) und Gegenstandgröße (a) bzw. zwischen Bildweite und Gegenstandsweite an und wird nach folgender Formel berechnet:



Anders ausgedrückt: Er gibt die Vergrößerung bzw. die Verkleinerung von senkrecht zur optischen Achse stehenden Objekten im Bild an und besitzt bei der höhenvertauschten optischen Abbildung einen negativen Wert.
Welche Kenngrößen sind für eine Brennweitenberechnung relevant?

Zur Bestimmung der Brennweite müssen die Sensorgröße, die Objektgröße und der Arbeitsabstand der Applikation bekannt sein.
Die Brennweite lässt sich nach folgender Formel berechnen:
Brennweite = (Arbeitsabstand * Sensorbreite)/(Objektbreite + Sensorbreite)
Was versteht man unter dem Auflösungsvermögen?

Das Auflösungsvermögen gibt an wie viele schwarze Linien pro Millimeter eines Originals noch abgebildet werden können. Die Angabe erfolgt in Linienpaare pro Millimeter (LP/mm).
Was ist die MTF (Modulation Transfer Function)?

Die Modulationsübertragungsfunktion ist das absolute Schärfenmaß eines Objektives. Es beschreibt das Auflösungsvermögen in Abhängigkeit von der Kontrastübertragung.
Übersichtsdarstellung der unterschiedlichen Sensorgrößen

Sensor-Format

Sensor-Breite [mm]

Sensor-Höhe [mm]

Diagonale [mm]

1“

12,7

9,525

16

2/3“

8,8

6,6

11

1/2“

6,4

4,8

8

1/3“

4,8

6,0

6

1/4“

3,6

2,7

4

1/5“

2,9

2,2

3,6

1/6“

2,1

1,6

2,7
Was geschieht bei der Fokussierung?

Bei der Fokussierung wird die Bildweite verändert, d.h. der Brennpunkt auf der optischen Achse verschiebt sich und damit der Abstand zwischen Objektiv und Bildempfänger. Je mehr der Arbeitsabstand verringert wird, desto größer muss die Bildweite werden um einen Punkt scharf abbilden zu können.
Was ist der Arbeitsabstand, und was versteht man unter der minimalen Objektdistanz MOD?

Der Arbeitsabstand ist der Abstand zwischen dem Prüfobjekt und der ersten Körperkante des optischen Systems aus Richtung des Prüfobjektes. Er wird als praxisbezogenes Maß für Objektive in der Bildverarbeitung angegeben.
Objektive erlauben die Fokussierung vom Unendlichen bis zu einer minimalen Objektdistanz, dem so genannten MOD. Diese Veränderung hat mechanische Grenzen, d.h. zur Scharfstellung muss ein gewisser Arbeitsabstand immer eingehalten werden.
Wozu dient der Einsatz von Zwischenringen und Nahlinsen?

Mit Hilfe von Zwischenringen wird die Bildweite verlängert, wodurch die Gegenstandsweite bzw. die MOD verkürzt werden kann. Je größer bzw. dicker der eingesetzte Zwischenring, desto kleiner wird die minimale und maximale Objektdistanz.
Nahlinsen haben denselben Effekt. Durch das Einbringen einer zweiten Linse in den Strahlengang, ist es möglich die Lichtstrahlen stärker zu brechen, d.h. den Gegenstand aus einer geringeren Distanz abzubilden.
Worin unterscheidet sich ein Objektiv mit den Kenngrößen C- und CS-Mount?

Der Unterschied hierbei ist das Auflagenmaß, d.h. der Abstand zwischen dem Ende des Objektivgewindes und der Brennebene.
Bei einem C-Mount-Objektiv beträgt dieser Abstand 17,5mm, bei CS-Mount 12,5mm.
Für die Kamera bedeutet das Auflagenmaß die kürzeste Entfernung die man zwischen Linse und Sensor einstellen kann.
Für das Objektiv bedeutet das Auflagenmaß die größtmögliche Entfernung zwischen Linse und Sensor, um einen Punkt aus dem Unendlichen noch scharf abbilden zu können.
Folglich kann man bei einer C-Mount-Kamera kein CS-Mount-Objektiv verwenden werden da der mechanisch bedingte Mindestabstand der Kamera 17,5mm beträgt, die Linse aber näher an den Sensor herangebracht werden müsste damit das Objektiv scharf abbilden kann.
Durch den Einsatz eines 5mm-Zwischenrings kann wiederum eine CS-Mount-Kamera an ein C-Mount-Objektiv angepasst werden.
Was versteht man unter entozentrischen bzw. Standardobjetiven und wo werden diese eingesetzt?

Unter Entozentrie ist die normale Perspektive gemeint, d.h. eine Optik die dem menschlichen Sehen entspricht. Je weiter ein Gegenstand entfernt ist, umso kleiner erscheint er. Dieses Phänomen entsteht, weil die Lichtbündel von der Linse auseinander gehen.

Bedingt durch die Abbildung hat eine Abstandsänderung des Objektes eine Änderung der Bildgröße auf dem Kamerasensor zu Folge.
Durch diese perspektivische Wiedergabe eignen sich entozentrische Objektive in den meisten Fällen nicht für Messzwecke.
Anwendung finden sie in der Farb-, Anwesenheits- oder Vollständigkeitskontrolle. Des Weiteren werden sie in der Oberflächeninspektion, bei Lageerkennungen oder auch bei der Zeichen- und Codererkennung eingesetzt.
Was versteht man unter Telezentrie, bzw. wann ist der Einsatz telezentrischer Objektive sinnvoll?

Die Besonderheit dieser Optiken besteht darin, dass eine Änderung des Arbeitsabstandes keine Änderung der Bildgröße zur Folge hat und damit auch keine Bildverzerrung.
Möglich ist dies durch einen parallelen Strahlengang auf der Gegenstandseite, man bezeichnet diese Optik daher auch als objektseitig telezentrische Objektive. Diese Art des Strahlenganges hat keinen Einfluss auf die Schärfentiefe. Voraussetzung bei diesen Messaufbauten: der Gegenstand darf nicht größer sein als das Objektiv.



Telezentrische Objektive werden in der Regel für präzise Messaufgaben eingesetzt, d.h. zur Inspektion von Teilen mit räumlicher Ausdehnung. Sie führen in der optischen Kontrolle industrieller Abläufe zu einer hohen Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Messergebnisse. Dies ist allerdings nur in Kombination mit einer telezentrischen Beleuchtung möglich. Ansonsten eignen sich diese Objektive für Messaufgaben mit besonders kritischen Materialeigenschaften (starker Glanz, optisch aktive Materialien, variable Kantenform). Handelt es sich um sehr flache oder auch dreidimensionale Teile, variiert der Objektabstand, so ist der Einsatz dieser Spezialoptiken ebenfalls sehr sinnvoll.Achtung: Telezentrische Objektive dürfen nicht mit Zwischenringen verwendet werden. Die gesamten optischen Eigenschaften ändern sich, sobald ein Zwischenring bei einem telezentrischen Objektiv eingesetzt wird.
Bei welchen Applikationen werden telezentrische Großfeldobjektive eingesetzt?

Anwendung finden diese Objektive bei der Inspektion von Kfz-Katalysatoren, Wärmetauschern, Sektflaschen und bei Handhabungsaufgaben in der Halbleiterindustrie. Sie arbeite am effektivsten mit monochromen Beleuchtungen zusammen.
Hierbei handelt es sich um eine Sonderbauform von telezentrischen Objektiven. die Frontlinsengruppe von Großfeldobjektiven wird dabei als Fresnellinse ausgeführt, wodurch sich eine Leichtbauvariante realisieren lässt. Der Grund, bei telezentrischen Objektiven ist die Frontlinsenbaugruppe ein erheblicher Kostenfaktor. Ab einem Durchmesser von >200 mm klassischer Glaslinsen ist die Industrietauglichkeit nicht mehr gewährleistet. Außerdem ist der mechanische Fassungsaufwand unverhältnismäßig groß.
Bei Einsatz dieser Objektivart sind Arbeitsabstand und Abbildungsmaßstab fest vorgegeben. Außerdem muss beachtet werden, dass aufgrund der Fresnelllinse eine Farbkorrektur der Linse nicht mehr möglich ist.
Was versteht man unter Tag-Nacht-Objektive bzw. infrarot vergütete Objektive?

Bei Tag-Nacht-Objektiven wird der nahe Infrarotbereich des Lichtes (700-1000nm), aufgrund der oben angesprochenen Abbildungsfehler einer Linse, besonders berücksichtigt. Es werden dabei spezielle Gläser eingesetzt um den Brennpunkt des langwelligen Lichtes zu verkürzen und eine scharfe Abbildung zu erhalten.
Bei Kameraapplikationen, die eine sehr hohe IR-Empfindlichkeit aufweisen ist der Einsatz dieser Objektivtypen sinnvoll. Wird hier mit „normalen“ Objektiven gearbeitet, ensteht oft ein sehr flauer und verwaschener Bildeindruck. Gleiches gilt für UV- vergütete Objektive, nur dass eben hier der Brennpunkt des kurzwelligen UV-Lichtes weiter nach hinten verschoben wird.
Was versteht man unter einem Makroobjektiv?

Mittels Makroobjektiven ist es möglich sehr nahe an ein Motiv heranzugehen und so Abbildungen von 1:1 oder größer zu erzielen. Diese Optiken sind speziell korrigiert, um die optischen Probleme, die aufgrund des geringen Arbeitsabstandes auftreten, zu unterdrücken. Ein Objektiv wird als makrofähig bezeichnet, wenn es einen Abbildungsmaßstab von etwa 1:4 realisieren kann.
Worin besteht der Vorteil eines Vario-Objektivs?

Durch den Einsatz von Vario-Objektiven kann die Brennweite und damit der Bildausschnitt bzw. der Abbildungsmaßstab eines Objektes stufenlos verändert werden.
Bei welchen Applikationen werden Zoom-Objektive eingesetzt?

Durch das Verstellen von Linsensegmenten wird bei einem Zoom-Objektiv ebenfalls eine stufenlose Veränderung der Brennweite erwirkt und zwar ohne dass der Arbeitsabstand verändert werden muss. Dies kann manuell oder mittels Motoren durchgeführt werden. Zoom-Objektive haben meist einen größeren Brennweitenbereich als Vario-Objektive. Ihre Abbildungsleistung, aber auch die Lichtstärke ist aufgrund der Bauform größtenteils schwächer als bei Festbrennweiten.
Bei welchen Applikationen macht der Einsatz eines Polarisationsfilters Sinn?

Mit Hilfe eines Polarisationsfilters lassen sich Reflektionen ausschalten. Anwendung finden diese Filter daher meist bei metallischen oder hoch glänzenden Oberflächen. Dadurch ist es möglich Strukturen, auch in transparenten Oberflächen sichtbar zu machen. Dieser Vorgang ist folgendermaßen zu erklären:
Unter „natürlichem“ Licht versteht man einen Lichtstrahl bzw. eine elektromagnetische Wellenerscheinung, die in alle Richtungen, senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung schwingt.



Polarisiertes Licht dagegen schwingt nur in eine Richtung quer zu seiner Ausbreitungsrichtung. Wenn eine spiegelnde Fläche nun mit polarisiertem Licht beleuchtet wird, sind auch die reflektierten Strahlen vollkommen polarisiert. Setzt man vor das Objektiv nun einen zweiten Polarisationsfilter, so kann das reflektierte Licht vollkommen ausgeschaltet werden.
Was versteht man unter chromatischer Aberration?

Der Brechungsindex eines Lichtstrahls ist abhängig von dessen Wellenlänge, d.h. kurzwelliges Licht wird beim Durchgang durch eine Linse stärker gebrochen als langwelliges Licht.



Die Brennweiten der einzelnen Wellenlängen variieren und es entsteht ein Farbfehler.



Abhilfe schaffen so genannte Apochromaten. Hierbei handelt es sich um Objektivtypen, die aus mehreren Einzellinsen mit unterschiedlichen Glassorten zusammengesetzt sind und dadurch gleiche Brennweiten für verschiedene Wellenlängen garantieren.
Was passiert bei der sphärische Aberration?

Tritt Licht durch eine Linse, werden achsenferne Randstrahlen stärker gebrochen als achsennahe Strahlen. Die Brennweite eines Strahles, welcher durch die Randzone der Linse geht ist daher kürzer als ein Strahl, der die Linse direkt in der Mitte passiert.
Je nach Linsenzone entstehen so unterschiedlich große Bilder bzw. es entsteht ein Unschärfeeindruck.
Folgende Grundregeln gelten:

• Das gewählte Objektivformat muss immer größer oder gleich dem Format des Sensors sein.
• Mit Hilfe von Zwischenringe und Nahlinsen kann die MOD verkürzt werden.
• Ein kurze Brennweite, eine kleine Blende und eine große Objektdistanz führen zu einer große Tiefenschärfe. Je kleiner die Blendenöffnung bzw. je größer die Blendenzahl, desto größer die Schärfentiefe.
Ist ein 3-CCD Objektiv für eine 1-CCD Kamera geeignet?

Nein, da die Strahlengänge der einzelnen Spektralfarben bei einem 3-CCD Objektiv auf das Prismenglas in einer 3-CCD Kamera optimiert sind. Würde man solch ein Objektiv bei einer 1-Chip Kamera verwenden führt dies zu einer schlechteren Bildqualität.