Ein Objektiv für Ihre Kamera auswählen

PDF herunterladen – Objektivauswahl

Kameraobjektivhalterung

Sie müssen ein Objektiv auswählen, das mit dem Objektivanschluss der Kamera kompatibel ist. Die meisten FLIR Machine Vision Kameras sind entweder mit einer C- oder CS-Halterung ausgestattet. Wir bieten auch 5 mm C-auf-CS-Abstandshalter, M12-Objektivhalterungen und CS-auf-M12-Adapter an.

Auflagemaß bei Kameras mit C- und CS-Halterungen

Objektive mit C- und CS-Halterung sind beides Objektivfassungen mit Gewinde, die bei den meisten industriellen CCD-Kameras und Objektiven zu finden sind. Der Unterschied zwischen Geräten mit C- und CS-Halterungen ist der Abstand zwischen dem Flansch des Objektivs (der Teil des Gehäuses, der an der Kamera anliegt) und der Brennebene des Objektivs (wo der CCD-Sensor positioniert werden muss). Dies wird als Auflagemaß bezeichnet.

Schema eines typischen Objektivs mit C- oder CS-Halterung

Die Objektivspezifikation für C-Halterungen für das Auflagemaß beträgt 17,53 mm und 12,53 mm bei CS-Halterungen. Bei FLIR-Kameras sind diese physischen Abstände jedoch aufgrund des Vorhandenseins eines 1-mm-Infrarot-Cutoff-Filters (IRC) und eines 0,5-mm-Sensorgehäusefensters ausgeglichen. Diese beiden Glasstücke passen zwischen das Objektiv und die Sensorbildebene. Der IRC-Filter wird von FLIR auf Farbkameras installiert; bei monochromen Kameras wird das IRC durch ein transparentes Glasfenster ersetzt. Das Sensorpaketfenster wird vom Sensorhersteller installiert. Die Lichtbrechung dieser Glaskomponenten erfordert einen Versatz im Auflagemaß von den Nennwerten.

Wenn Sie eine Kamera mit CS-Halterung und ein C-Objektiv haben, können Sie einen 5 mm Abstandshalter hinzufügen, um den richtigen Fokus zu erhalten. Wenn Sie jedoch eine Kamera mit C-Halterung ein CS-Objektiv haben, kann kein korrekter Fokus erreicht werden.

Kompatibilität mit M12 Mikroobjektiven

M12-Optiken (manchmal auch als S-Mount bezeichnet) sind oft eine beliebte Alternative zu C- oder CS-Mount-Optiken (aufgrund ihrer geringeren Größe und des niedrigeren C-Metalls), Objektive, ein CS-auf-M12-Adapter und einige Kameras mit vorinstalliertem M12-Objektivanschluss.

Der M12-Objektivhalter aus Metallguss von FLIR besteht aus einer Zinklegierung und ist für großformatige Sensoren wie den Sony ICX445 CCD und den Sony IMX035 CMOS ausgelegt. Zu den weiteren Features gehören eine Stellschraube zum Einstellen des Brennweitenabstands, Passstifte zur präzisen Ausrichtung des Objektivhalters zur Kameraplatine und ein IRC-Filter.

FLIR bietet auch einen CS-auf-M12-Objektivadapter an, der zum Anbringen von M12-Objektiven an einer Kamera mit einem CS-Objektivhalter nützlich ist.

Bei bestimmten Weitwinkel-M12-Objektiven (kurze Brennweite) kann es zu Kompatibilitätsproblemen kommen. Kompatibilitätsprobleme sind in erster Linie auf Unterschiede in der hinteren Brennweite zurückzuführen, wie unten erläutert.

Der zum Scharfstellen des Objektivs erforderliche Abstand ist größer als die Länge des Objektivhalters, so dass das Objektiv zum Scharfstellen vom Halter gelöst werden muss.
Der zum Scharfstellen des Objektivs erforderliche Abstand ist geringer als die Länge des Objektivhalters. Auch wenn das Objektiv ganz in den Objektivhalter eingeschraubt ist, ist das Bild noch unscharf.
Das Mikroobjektiv kann auf den IR-Filter treffen, bevor sie fokussiert werden kann.
Das Mikroobjektiv ist zwar scharf, aber zu kurz, um mit der Linsenstellschraube fixiert zu werden.

Brennweite Objektiv

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Auswahl eines Objektivs ist seine Brennweite. Ein Objektiv mit einer Brennweite, die ungefähr der Diagonale des Sensorformats entspricht, gibt eine Perspektive wieder, die für das menschliche Auge im Allgemeinen normal erscheint. Objektive mit kürzeren als normalen Brennweiten, auch „Weitwinkelobjektive“ genannt, können ein größeres Sichtfeld erfassen. Objektive mit längeren als normalen Brennweiten oder „Teleobjektive“ erfassen ein kleineres Sichtfeld. Daher müssen Sie bei der Betrachtung der Brennweite die Sensorgröße, das Sichtfeld, das Sie erfassen möchten, und die ungefähre Entfernung des Objektivs von Ihrem Motiv, auch als „Fokusabstand“ bezeichnet, berücksichtigen.

Der Brennpunkt ist die Position auf der optischen Achse, an der sich alle einfallenden Strahlen, die parallel zur optischen Achse verlaufen, schneiden. Eine Fokussierung wird erreicht, wenn alle Strahlen, die von demselben Punkt der Szene ausgehen, so gebrochen werden, dass sie sich an genau demselben Punkt in der Bildebene schneiden. Dieses Konzept ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Beachten Sie, dass bei einem symmetrischen Objektiv die Brennpunkte F und F‘ gleich weit vom Objektiv entfernt sind. Ein Strahl, der durch F geht, wird so gebrochen, dass er parallel zur optischen Achse verläuft, bevor er auf die Bildebene trifft.

Der Zusammenhang zwischen Brennweite, Fokusabstand und Bildabstand ergibt sich aus der Gaußschen Linsenformel:

Bei vielen bildgebenden Anwendungen ist der Arbeitsabstand erheblich größer als der Bildabstand. In diesem Fall können wir die obige Gleichung annähern als:

Wir sehen, dass der Bildabstand ungefähr gleich der Brennweite ist. Ein vereinfachtes Strahlendiagramm für diesen Fall ist unten gezeigt, in dem nur die Hauptstrahlen von den Sensorkanten gezeichnet werden. Diese Strahlen gehen ohne Richtungsänderung durch die Mitte der Linse.

Der ungefähre Wert der Brennweite ergibt sich in diesem Fall aus:

Bei Nahaufnahmen wie der Makrofotografie, bei denen der Fokusabstand nicht wesentlich größer als die Brennweite ist, können wir den Bildabstand nicht als Brennweite annähern. Die genauere Form der obigen Gleichung (gilt sowohl für den Nah- als auch für den Fernfokusabstand) ist gegeben durch:

Viele Objektivhersteller bieten auf ihren Websites Objektivauswahlrechner an, die eine empfohlene Brennweite basierend auf der ungefähren Form der Brennweitengleichung liefern. Im Zweifelsfall ist die Berechnung unkompliziert und kann mit Kenntnis der Sensorabmessungen manuell durchgeführt werden. Die Sensorgröße wird typischerweise in Bruchteilen eines Zolls angegeben, die aus historischen Gründen nicht direkt auf die tatsächliche Größe des effektiven Abbildungsbereichs des Sensors skaliert werden können. Die folgende Tabelle enthält eine Liste der Breiten, Höhen und Diagonalen verschiedener Standardsensorgrößen.

Betrachten Sie beispielsweise eine Anwendung mit einem 1/2” Sensor, einem Arbeitsabstand von 100 mm und einem horizontalen Sichtfeld von 50 mm. In der Tabelle hat der 1/2” Sensor eine Breite von 6,4 mm, eine Höhe von 4,8 mm und eine Diagonale von 8 mm. Um das angegebene horizontale Sichtfeld zu erreichen, verwenden wir:

oder mit der genauen Gleichung:

Das Ergebnis ist eine Brennweite von 11,3 mm nach der exakten Formel und 12,8 mm nach der Näherungsformel. Diese Diskrepanz nimmt mit abnehmendem Fokusabstand relativ zur Brennweite zu.

Nachdem Sie eine Brennweite ausgewählt haben, die Ihren Anforderungen am besten entspricht, müssen Sie möglicherweise Ihren Fokusabstand anpassen, um das gewünschte Sichtfeld zu erreichen. Bedenken Sie auch, dass Objektive mit kürzeren Brennweiten oft eine starke Verzerrung aufweisen. Der tatsächliche Grad der Verzerrung hängt vom verwendeten Objektiv ab und kann einen erheblichen Einfluss auf das tatsächliche Sichtfeld haben. Die obigen Gleichungen ignorieren Verzerrungen. Wenn die Linsenverzerrung groß ist (z. B. > 10 %), sind die obigen Gleichungen für die Vorhersage der Brennweite ungenau und sollten nur als Ausgangspunkt verwendet werden. Das Datenblatt des Objektivs sollte konsultiert werden. Typischerweise wird ein Blickwinkel für Weitwinkel- und Fischaugenobjektive für jedes vom Objektiv unterstützte Sensorformat angegeben. Dieser Sichtwinkel sollte verwendet werden, um den Arbeitsabstand für ein gegebenes Sichtfeld in Entfernungseinheiten zu berechnen.

Sensorgröße

Achten Sie beim Kauf eines Objektivs darauf, dass es mit der optischen Größe des in Ihrer Kamera verwendeten Bildsensors (z. B. 1/3", 2/3" usw.) kompatibel ist. Das Objektiv muss in der Lage sein, ein Bild zu projizieren, das den gesamten Sensor abdeckt. Ein Objektiv, das für einen Sensor mit größerem Format wie 2/3" hergestellt wurde, kann normalerweise mit einem Sensor mit kleinerem Format wie 1/3" verwendet werden, obwohl es zu einem Auflösungsverlust kommen kann (siehe unten).

Ein Objektiv, das für einen kleineren Sensor wie 1/3” hergestellt wurde, kann nicht mit einem größeren Sensor wie 1/2” verwendet werden, da das Objektiv höchstwahrscheinlich kein ausreichend großes Bild projiziert, um den gesamten Sensor abzudecken, was zu Vignettierung führt. Die Bildecken können in diesem Fall unscharf, dunkel oder sogar komplett schwarz erscheinen.

Die folgende Tabelle zeigt die ungefähre Breite (B), Höhe (H) und Diagonale (D) des aktiven Bereichs für Sensoren unterschiedlicher Größe sowie die Formatfaktoren, die mit der Verwendung eines bestimmten Objektivs auf einem kleineren Sensor verbunden sind. Angenommen, wir haben ein 6-mm-Objektiv gepaart mit einem 1/3” Sensor und Sie möchten wissen, welches Objektiv das gleiche Sichtfeld auf einem 1/4” Sensor erreicht. Der Formatfaktor des 1/3” Sensors relativ zum 1/4” Sensor beträgt 1,33. Daher wählen Sie eine Brennweite von 6 mm / 1,33 = 4,5 mm.

Räumliche Auflösung des Sensors und Megapixel-Objektive

Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Auswahl eines Objektivs ist die Anzahl der Pixel im Verhältnis zur gesamten Sensorfläche. Diese Messung ist normalerweise umgekehrt proportional zur Pixelgröße (Einheitszelle) – je höher die Pixelanzahl, desto kleiner sind die einzelnen Pixel und desto näher liegen sie beieinander. Je kleiner der Pixelabstand auf einem Sensor ist, desto besser kann er kleine Details aufnehmen (abtasten). Diese Fähigkeit wird als Räumliche Frequenz oder Räumliche Auflösung bezeichnet. Sensoren mit hoher Dichte erfordern Megapixel-(MP-)Objektive mit hochwertigen optischen Komponenten, die Bilder mit einer Auflösung gleich oder höher als die des Sensors projizieren können.

Die folgende Tabelle zeigt ein Beispiel von Sensoren, die in FLIR-Kameras verwendet werden, und ob ein MP-Objektiv mit ihnen verwendet werden sollte. Es empfiehlt sich, ein MP-Objektiv mit Megapixel-Sensor zu verwenden. Bei Multi-Megapixel-Sensoren sollte die MP-Zahl des Objektivs der MP-Zahl des Sensors entsprechen oder diese überschreiten. Die Verwendung eines normalen Objektivs auf einem Megapixel-Sensor kann zu verschwommenen Bildern führen, da das Objektiv möglicherweise keine ausreichend hohe Auflösung für den Sensor bietet. Obwohl es akzeptabel ist, ein MP-Objektiv mit einem Nicht-Megapixel-Sensor zu verwenden, kann dies aus Kosten-Nutzen-Sicht unpraktisch sein.

Idealerweise sollte das Objektivformat auch auf das Sensorformat abgestimmt sein, um eine optimale Leistung zu erzielen. Zum Beispiel ist ein Objektiv im 1 MP 2/3” Format auf einem 1 MP 1/3” Sensor wahrscheinlich schlechter in der Auflösung, da der Sensor nur einen Bruchteil der vom Objektiv erzeugten Gesamtdetails erfasst. Das 1 MP 1/3” Objektiv bietet aufgrund der kleineren Sensorfläche eine höhere Auflösung als ein 1 MP 2/3” Objektiv, um den gleichen Bildinhalt von 1 MP zu erfassen. Die räumliche Auflösung des Sensors wird in Linienpaaren pro Millimeter (lpm oder lp/mm) gemessen, was die kleinste Größe von sich wiederholenden Paaren von schwarzen/weißen Balken bezeichnet, die ein Sensor auflösen kann. Ein 1/3" 1,3 MP Sensor wie der Sony ICX445 mit einer Pixelgröße von nur 3,75 Mikrometern kann ~133 lpm (1/3,75 µm x 1/2 x 1000 µm/mm) auflösen. MP-Objektive können Bilder mit mehr Details projizieren, um die höhere Pixeldichte von kleinformatigen Megapixel-Sensoren wie dem Sony ICX445 (1/3" 1,3 MP) oder Sony ICX655 (2/3" 5 MP) zu nutzen.

Die Auflösung eines Objektivs wird typischerweise gemessen, indem Sätze von schwarzen und weißen Balken mit unterschiedlichen Abständen (lpm) abgebildet werden. Der feinste Abstand (am Sensor), der gerade noch aufgelöst werden kann, gilt als Auflösung des Objektivs. Diese Auflösung wird dann mit 2 multipliziert (um Linienpaare in Linien umzuwandeln) und dann mit den Abmessungen der Sensorgröße multipliziert, um die MP-Bewertung für das Objektiv zu bestimmen. Bei dieser Art der Messung gibt es einige Fallstricke. Erstens variiert die Auflösung des Objektivs über das Sichtfeld (normalerweise am höchsten in der Nähe der Bildmitte) und daher haben die Details, wo die Auflösung gemessen wird, einen großen Einfluss auf die MP-Bewertung. Ein zweiter Fallstrick liegt in der Wahrnehmung des „gerade noch Aufgelösten“, da diese von Tester zu Tester unterschiedlich sein kann. Außerdem können zwei Objektive nur 133 lpm auflösen und somit die gleiche MP-Zahl haben, aber dies garantiert nicht, dass sie den gleichen Kontrast von beispielsweise 60 lpm liefern. Das MP-Wertung sagt daher nicht immer die ganze Wahrheit aus.

Ein systematischeres Maß für die Objektivauflösung ist die Modulationsübertragungsfunktion (MTF). Die MTF misst die Amplitude (Kontrast) eines Bildes eines sinusförmigen Musters*, das bei einer gegebenen Ortsfrequenz in Zyklen/mm (cy/mm, manchmal auch als lp/mm oder lpm bezeichnet) sanft zwischen Schwarz und Weiß wechselt. Je höher die räumliche Frequenz eines solchen Musters, desto wahrscheinlicher verschwimmt das Bild zu einem einheitlichen Grau. Die nominelle „Auflösung“ aus dieser Messung ist dann die Frequenz, bei der der Kontrast auf einige Prozent des niederfrequenten Kontrasts abfällt, analog zum Bandbreite eines Stromkreises. Dies wird typischerweise als MTF50 (50 % des Niederfrequenzkontrasts) oder MTF30 (30 % des Niederfrequenzkontrasts) ausgedrückt. MTF10 wird manchmal auch verwendet und hat eine ungefähre Äquivalenz zu der „gerade noch aufgelösten“ Auflösung, die aus Balkenmustern erhalten wird (siehe oben). Bei MTF10 ist Vorsicht geboten, da eine zuverlässige Messung schwierig ist. Eine andere Metrik besteht darin, den Kontrast für einen begrenzten Satz spezifischer Frequenzen zu messen, die oft als Funktion der radialen Position im Bild angezeigt werden. Während MTF-Daten im Vergleich zu einer einfachen MP-Bewertung viel detailliertere Informationen über die Linsenqualität liefern können, ist die Interpretation komplizierter und die Daten sind möglicherweise nicht immer verfügbar.

* MTF-Messungen können auch mit anderen Methoden wie Punktverteilung und Schrägkantenanalyse durchgeführt werden.

Weitere Ressourcen