Auswirkung der Modulationstransfer-Funktion einer Optik auf das auf den Sensor projizierte Bild.

Auswirkung der Modulationstransfer-Funktion einer Optik auf das auf den Sensor projizierte Bild. Stemmer Imaging

Die Wahl des richtigen Objektivs hängt direkt vom Sensor der verwendeten Kamera ab. Dabei sind bei der Optikauswahl vor allem die Parameter Chipgröße und Pixelgröße wichtig, denn das Objektiv muss in der Lage sein, die komplette Sensorfläche auszuleuchten, um Vignettierungen (Abschattungen) im Bild zu vermeiden. Zudem muss das Objektiv die Pixelgröße auflösen können. Prinzipiell gilt: Je besser die optische Auflösung des Objektivs, desto feinere Strukturen überträgt es.

Ein Maß für die optische Qualität ist die sogenannte Modulationstransfer-Funktion (MTF). Sie beschreibt mathematisch den Vergleich zwischen dem Detail­kontrast an den Kanten eines Objektes und dem Detailkontrast von dessen bildlicher Darstellung. Um ein Detail am Objekt auflösen zu können und eine eindeutige Kantenerkennung zu gewährleisten, sollte dieses Detail auf ca. vier Pixel abgebildet werden. Somit hängt der benötigte Abbildungsmaßstab direkt von der gewünschten Objektauflösung beziehungsweise der Pixelgröße ab. Eine perfekte Linse würde ein Bild erzeugen, das dem Objekt inklusive aller Details und Helligkeitsschwankungen exakt entspricht. Jedoch ist dies in der Praxis nicht möglich, da eine Linse wie ein Tiefpassfilter wirkt. Dabei klassifiziert die MTF die Abschwächung einer gegebenen Frequenz oder eines Details. Zudem gibt es bei jeder Linse einen Punkt, an dem der Kontrast den Wert Null erreicht. Diese Grenze heißt Auflösungsgrenze und hat die Einheit Linienpaare pro Millimeter (lp/mm).
Das Spektrum an Sensorformaten und Auflösungen von Bildverarbeitungs­kameras ist enorm, und zusammen mit der Fülle an Anwendungsmöglichkeiten, ergibt sich eine große Auswahl an Standard- und Spezialobjektiven.

Die gebräuchlichsten Objektivarten

Die Auswahl des Objektivs beziehungsweise die richtige Kombination der optischen Komponenten spielt bei der Industriellen Bildverarbeitung eine große Rolle.

Die Auswahl des Objektivs beziehungsweise die richtige Kombination der optischen Komponenten spielt bei der Industriellen Bildverarbeitung eine große Rolle. Fujifilm

In den meisten Applikationen kommen Fixfokusobjektive mit fixem Mindest­arbeitsabstand (MOD) zum Einsatz, da dieser Parameter meist unveränderlich bleibt. Diese Objektive werden für einen definierten Aufbau ausgewählt und liefern dafür das beste Ergebnis. Alternativ gibt es Festbrennweiten-Objektive mit Fokussiereinheit, bei denen sich der MOD geringfügig variieren lässt. Aufgrund der festen Brennweite verfügen diese Objektive über einen statischen Vergrößerungsbereich. Darüber hinaus stehen weitere Arten an gebräuchlichen Objektiven zur Verfügung:
Universalobjektive mit festen Standardbrennweiten von 4,5 bis 100 mm sind der häufigste Typ von Objektiven für Sensoren mit einer Auflösung von unter einem Megapixel. Diese Objektive wurden für eine unendliche Fokussierung optimiert und weisen je nach Hersteller eine MTF von 70 bis 90 lp/mm mit geringer Verzeichnung und Vignettierung auf. Objektive mit kürzeren Brennweiten erzeugen Bilder mit Fischaugeneffekt.
Präzisionsobjektive, die hochauflösenden Versionen der Standardobjektive, bieten verglichen mit diesen bessere Abbildungsleistungen. Normalerweise sind Präzisionsobjektive für Brennweiten bis 75 mm mit einer MTF über 120 lp/mm und geringer Verzeichnung (<0,1 %) verfügbar. Sie eignen sich besonders für Kameras mit kleinen Pixeln und für präzise Messtechnikaufgaben.

Makro- und telezentrische ­Objektive

Glossar

Detailkontrast: Beschreibt das Verhältnis zwischen Lichtern und Schatten.
unendliche Fokussierung:  Ein Objektiv ist auf unendlich fokussiert, wenn der ­Abstand von der Hauptebene zur Sensor­ebene der Brennweite des Objektives ­entspricht.
Verzeichnung: Ein geometrischer Abbildungsfehler optischer Systeme, der zu einer lokalen Veränderung des Abbildungsmaßstabes führt. Beispiel: kissenförmig
freie Apertur/Objektivdurchmessser: Die freie Öffnung eines Objektivs oder ­deren Durchmesser, durch welche die Lichtstrahlen ausgesendet oder empfangen werden.

Makroobjektive sind speziell für kleine Objektfelder in der Größe des Kamerasensors konzipiert. Sie werden hinsichtlich ihrer Vergrößerung in Relation zum Kamerasensor eingestuft. Makroobjektive fokussieren besonders gut bei Nahaufnahmen. Obwohl sie über gute MTF-Eigenschaften und eine vernachlässigbare Verzeichnung verfügen, sind sie weniger flexibel, da Anwender die Vergrößerung oder den Arbeitsabstand nicht ändern können.
Großformatige Objektive kommen zum Einsatz, wenn die Maße eines Kamerasensors die Abmessungen überschreiten, die C-Mount-Objektive erfassen können. Häufig sind großformatige Objektive modular und bestehen aus einer Kombination aus Adaptern, Schneckengängen oder Zwischenringen. Typische Einsatzgebiete sind Zeilenkamera-Anwendungen.
Telezentrische Objektive eignen sich speziell für Messanwendungen, da sich mit ihnen geometrische Verzerrungen und Maßabweichungen bei den Aufnahmen vermeiden lassen. Diese Objektive bilden nur achsparallele Lichtstrahlenbündel ab. Dies führt zu einer gleichmäßigen, vom Objektabstand unabhängigen Vergrößerung ohne perspektivische Verzerrung. Wegen des parallelen Strahlengangs muss die freie Apertur der Frontlinse des telezentrischen Objektivs mindestens den gleichen Durchmesser haben wie das Objektfeld. Dadurch sind Objektive für große Objektfelder entsprechend dimensioniert und damit verhältnismäßig teuer.

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