Objektive. Fallstudien von BV-Anwendungen. R. Neubecker, SoSe Übersicht

Objektive Fallstudien von BV-Anwendungen R. Neubecker, SoSe 2017 Übersicht 2 Objektive aus Innensicht Objektive aus Außensicht Auflösungsvermögen: PSF, MTF, Datenblätter Weitere Objektiveigenschaften: Verzeichnung, Vignettierung, Spektrale Transmission Tipps für den Einsatz Mechanik, Schutz und Reinigung Spezialobjektive und Filter 1

Innensicht 3 Objektiv, ideal und einfach y 1 f = 1 s 1 s s f f s y β = y y = s s Brennweite f Innensicht 4 Objektiv, ideal + Hauptebenen + Pupillen Brennweite f, Blendenzahl F/# K. Lenhardt, "Optical systems in Machine Vision" 2

Innensicht: Hauptebenen 5 Vom Nutzen der Hauptebenen Hauptebenen können außerhalb des Objektivs liegen Teleobjektiv: bildseitige Hauptebene vor Objektiv Länge des Objektivs < Brennweite Retrofokus-Objektiv (Weitwinkel, kurzbrennweitige Objektive): bildseitige Hauptebene hinter Objektiv mehr Abstand zwischen letzter Linse und Sensor LWD-Mikroskopobjektive (Long Working Distance, Großer Arbeitsabstand) objektseitige Hauptebene vor Objektiv Bildquelle: wikipedia.de Innensicht: Hauptebenen 6 Vom Nutzen der Hauptebenen Hauptebenen können außerhalb des Objektivs liegen Teleobjektiv: bildseitige Hauptebene vor Objektiv Länge des Objektivs < Brennweite Standardobjektiv Retrofokus-Objektiv (Weitwinkel, kurzbrennweitige Objektive): bildseitige Hauptebene hinter Objektiv mehr Abstand zwischen letzter Linse und Sensor Teleobjektiv LWD-Mikroskopobjektive (Long Working Distance, Großer Arbeitsabstand) objektseitige Hauptebene vor Objektiv Retrofokus-Objektiv Bildquelle: Thöniß ""Objektive in der industriellen Bildverarbeitung" 3

Innensicht: Bildfehler 7 Objektiv, real: Abbildungseigenschaften Objekt Bild, insbesondere Objektpunkt Bildpunkt Physikalische Grenze: Beugung durch endliche Pupillendurchmesser Zusätzlich Aberrationen (Bildfehler): Sphärische Aberration, Koma, Bildfeldwölbung, Astigmatismus, Farbfehler, Verzeichnung Lagefehler: räumliche Lage der Bildpunkte ist nicht ideal Schärfefehler: Bild"punkte" sind räumlich ausgedehnt Ursachen für Bildfehler Nicht-paraxiale Abbildung, Brechung an sphärische Flächen Dispersion Fertigungstoleranzen (!) Defokussierung Falschlicht Innensicht: Bildfehler 8 Korrektion Reduktion der Aberrationen durch Kombination mehrerer Linsen mit verschiedenen Krümmungsradien, aus unterschiedlichen Materialien Zunehmend auch Verwendung von Asphären Unmöglich, alle Bildfehler gleichzeitig zu optimieren spezifische Kompromisse für spezifische Einsatzbedingungen Objektive werden für gegebenen Arbeitsabstand optimiert, bei anderen Einsatzbedingungen kann Abbildungsqualität sinken Fertigungstoleranzen als Ursache für Bildfehler: reales Objektiv hat ggf. nicht die im Datenblatt angegebene Abbildungsleistung Fertigungstoleranzen können auch zur Verletzung der Rotationssymmetrie führen 4

Innensicht: Bildfehler 9 Objektiv-Taxonomie Petzval-Objektiv Aplanat Hypergon Symmar... Apo-Ronar Biotar Summar Planar Tokina AF 3.5/17 mm AT-X mit asphärischer Linse und Floating Element Bildquelle: Franz-Manfred Schüngel, Objektivkonstruktionen, fotonet.de Objektiv-Eigenschaften 10 Szene Objektiveigenschaft Sensor Objektgröße / Sichtfeld y Objektposition Objektweite s Brennweite f Optim. Einstellbereich Min. Objektweite Bildkreisdurchmesser Bildweite s Bildfeld / Sensorgröße y Sensorgröße 1 f = 1 s 1 s β = y y = s s Szenentiefe Schärfentiefe Δs Blendenzahl k = F/# = f /D EP Bildseitige Auflsg. / Pixelgröße d Δs = s + s s s ± = 1 d ks/f 2 Auflösung PSF, MTF Pixelgröße, Pixelpitch Vignettierung Winkelabh. Sensorempf. Verzeichnung Spektrale Transmission Spektr. Sensorempfindlichkeit 5

Übersicht 11 Objektive aus Innensicht Objektive aus Außensicht Auflösungsvermögen Weitere Objektiveigenschaften Tipps für den Einsatz Mechanik, Schutz und Reinigung Spezialobjektive und Filter Auflösungsvermögen: PSF & Cie 12 PSF (Point Spread Function, Punktspreizfunktion) Punkt in Objektebene Intensitätsverteilung in Bildebene Gut zur Darstellung lageabhängiger Bildfehler Schwierig, einfach Kenngrößen abzuleiten Schwierig zu messen LSF (Line Spread Function) LSF x = PSF x, y dy Auch schwierig zu messen ESF (Edge Spread Function) ESF x = LSF x dx Einfach zu messen ESF entspricht Reaktion auf Kanten im Bild Nützlich. Symmetrie Nicht-radialsymmetrische PSF LSF, ESF hängen von Orientierung ab, radiale / tangentiale LSF, ESF angeben * = 6

Auflösungsvermögen: PSF & Cie 13 Beispiele für reale PSFs Weißes Quadrat als Skala, 8.5µm Kantenlänge Wirkung eines Anti-Aliasingfilters Bildquelle: H.H.Nasse "Wie liest man MTF-Kurven?" (Carl Zeiss) Auflösungsvermögen: MTF 14 MTF (Modulation Transfer Function, Modulationstransferfunktion) Betrachtung im Ortsfrequenzraum = Abbildung von periodischen (Sinus-)Strukturen Maßgröße = Kontrast Modulationstransferfunktion = Kontrastverhältnis MTF(u) = Bildkontrast Objektkontrast als Funktion der Ortsfrequenz u u typ. in cy/mm (oder lp/mm) MTF & PSF Optische Transferfunktion OTF = Fouriertransformierte der PSF, MTF = Betrag der OTF: OTF = F PSF = MTF e i PTF, MTF = F PSF MTF beschreibt (Betrag der) Kontrastveränderung, Phasentransferfunktion PTF beschreibt laterale Verschiebungen 7

Auflösungsvermögen: MTF 15 MTF-Eigenschaften MTF(u = 0) 1 (eigentlich ) Obergrenze für mögliche MTF: Beugung maximal übertragbare Ortsfrequenz Aberrationen MTF liegt unterhalb Beugungsgrenze MTF 1 0.5 Beugungsbegrenzt 0 0 20 40 60 80 u / (cy/mm) zusätzlich: Bildfehler Auflösungsvermögen: MTF 16 Beispiele für reale MTFs - - - beugungsbegrenzt, Blende 2 Bildquelle: H.H.Nasse "Wie liest man MTF-Kurven?" (Carl Zeiss) 8

Auflösungsvermögen: MTF 17 MTF-Eigenschaften MTF(u = 0) 1 (eigentlich ) Obergrenze für mögliche MTF: Beugung maximal übertragbare Ortsfrequenz Aberrationen MTF liegt unterhalb Beugungsgrenze MTF 1 0.5 Beugungsbegrenzt Eine einzige MTF? Chromatische Aberrationen MTF λ-abhängig! MTF für definiertes Spektrum angeben MTF ist ein globales Maß (für LSI-Systeme) eigentlich ungeeignet für lageabhängige Bildfehler MTF an mehreren Stellen im Bild messen, bzw. in Abhängigkeit vom Bildradius MTF leitet sich von Modulation von (Sinus-) Gittern ab, Gitter haben eine Richtung MTF hängt i.a. von Orientierung (des Gitters) ab 0 0 20 40 60 80 u / (cy/mm) zusätzlich: Bildfehler Auflösungsvermögen: MTF 18 Orientierungsabhängige MTF Koma, Astigmatismus, fertigungsbedingte Zentrierfehler PSF ist nicht rotationssymmetrisch MTF ist nicht rotationssymmetrisch Objektiv selbst sollte rotationssymmetrisch sein Zwei Orientierungen reichen: meridional (=tangential) & sagittal (=radial) = radial = meridional Bildquellen: Th.Thöniß, "Objektive in der industriellen Bildverarbeitung"; H.H.Nasse "Wie liest man MTF-Kurven?" 9

Auflösungsvermögen: Falschlicht und Kontrast 19 Falschlicht Ursachen Streulicht im Objektiv, in der Kamera oder Reflexe im Objektiv Quelle kann auch außerhalb des Sichtfelds liegen (typ. bei Gegenlichtaufnahmen) Maßnahmen: Streulichtblenden im Objektiv, gute AR-Coatings, Mattierung / Schwärzung des Kameragehäuseinneren Auch möglich: "Störlicht" (kommt nicht aus Objektiv, sondern z.b. aus Lücken im Kameragehäuse ) Folgen Führt zu Offset (ggf. inhomogen Art von Shading), auch Geisterbilder ("Blendenflecken") Offset in Bildintensität geringerer Kontrast Geisterbilder Blendenflecke I max I min M = I max + I min + 2 I falsch Bildquelle: http://digicam-experts.de/wissen/17 Auflösungsvermögen: Falschlicht und Kontrast 20 Mikro-/Makrokontrast, MTF und Falschlicht 100% erreicht? Geringer Kontrast zwischen großen Strukturen geringer "Makrokontrast", auch Halos, Überstrahlung REM: großflächige Strukturen = kleine Ortsfrequenzen MTF bei niedrigen Ortsfrequenzen <100%! Aber: ggf. wird MTF(u = 0) = 100% gesetzt Bildquelle: H.H.Nasse "Wie liest man MTF-Kurven?" (Carl Zeiss) 10

Auflösungsvermögen: PSF revisited 21 Asymmetrische PSF Nicht spiegelsymmetrische PSF = z.b. Koma Zeigt sich nicht in MTF! Entspricht Verschiebung der versch. Ortsfrequenzanteile zueinander = Phasenlage Information steckt in Phasentransferfunktion (PTF), d.h. komplette Beschreibung des Systemverhaltens über Optische Transferfunktion OTF = MTF e i PTF Beispiel für 2 Weitwinkelobjektiv, gleiche MTF(!), offene Blende, Bildausschnitte am Bildrand: Unterschiedliche Koma führt entweder zu Überstrahlung nach außen (linkes Bild) oder nach innen (rechtes Bild) Entsprechend: s/w-kante wird anders verschmiert als w/s-kante. ESF MTF ist zur Beschreibung solcher Effekte nicht geeignet r Bildquelle: H.H.Nasse "Wie liest man MTF-Kurven?" (Carl Zeiss) Auflösungsvermögen: Kennzahlen 22 Eine einzelne Kennzahl für "Auflösung"? Durchmesser der Airy-Scheibe Auflösungskriterien von Rayleigh, von Sparrow Monochromatische Betrachtungsweise, wellenlängenabhängig, betrifft nur Beugungsbegrenzung Faustformeln für VIS (mittlerer Wellenlängenbereich): Blendenzahl Breite des Punktbildes in μm Grenzfrequenz u max 1/(Blendenzahl Wellenlänge) z.b. Blende 5.6, λ = 550nm u max 325 cy/mm Dabei nicht berücksichtigt: Auflösungsbegrenzung durch Aberrationen Alternativ: Auflösungsgrenze aus MTF, z.b. Definition eines Grenzwerts (z.b. 10%) Details über MTF-Verlauf gehen verloren Bildquellen: Wikipedia, Th. Thöniß, "Objektive in der industriellen Bildverarbeitung" 11

Auflösungsvermögen: Messverfahren 23 Messung der Auflösung Verschiedene Verfahren (Sinus-modulierter Siemensstern, Slanted Edge, ), verschiedene Normen (ISO 1223; DIN ISO 9334, -9335, -9336; DIN 4522-7; ), verschiedene Targets Auflösungsvermögen: Datenblatt-MTFs 24 MTFs in Objektiv-Datenblättern Eigentlich: MTF = MTF(u), zusätzliche Abhängigkeiten: Abstand von Bildmitte ("Bildradius" / "Bildhöhe" / "Bilddiagonale") Orientierung (meridional/sagittal) Üblich: Blendenzahl und Abbildungsmaßstab als feste Parameter Darstellung mehrerer MTF-Kurven über Ortsfrequenz, mit ausgew. Bildradien und Orientierung als Parameter oder Darstellung mehrerer MTF-Kurven über Bildradius, mit ausgewählten Ortsfrequenzen (z.b. 10 cy/mm, 20 cy/mm, 50 cy/mm) und Orientierung als Parameter Bildquelle: H.H.Nasse "Wie liest man MTF-Kurven?" (Carl Zeiss) 12

Auflösungsvermögen: Datenblatt-MTFs 25 MTFs in Objektiv-Datenblättern Blendenzahl und Abbildungsmaßstab als feste Parameter Vorsicht: Abszisse u' = Bildradius, nicht Ortsfrequenz! Bildquelle: H.H.Nasse "Wie liest man MTF-Kurven?" (Carl Zeiss) Auflösungsvermögen: Datenblatt-MTFs 26 MTFs in Objektiv-Datenblättern Leider wird die MTF in Objektiv-Datenblättern oft nur für diskrete Werte der Ortsfrequenz angegeben (typ. 10 cy/mm, 20 cy/mm, 40 cy/mm) ist die höchste Ortsfrequenz dabei oft weit unter der Nyquistfrequenz, die man mit modernen Bildsensoren erreichen kann (z.b.: 2 µm-pixel u NY = 1/ 2 2µm = 250 cy/mm) kann man die MTF aus 3 Stützpunkten nicht zuverlässig erraten: der Wert bei kleinen Ortsfrequenzen (Makrokontrast) ist muss extrapoliert werden sofern die MTF nicht ohnehin auf MTF(u = 0) = 100% normiert wurde (die MTF muss nicht notwendigerweise immer monoton fallen) Bildquelle: H.H.Nasse "Wie liest man MTF-Kurven?" (Carl Zeiss) 13

Auflösungsvermögen: Datenblatt-MTFs 27 MTF und Lichtspektrum Aberrationen bestimmen MTF, viele Bildfehler sind wellenlängenabhängig (Dispersion der Gläser chromatische Aberration Farbfehlerkorrekturen) MTF wird mit "weißem Licht" gemessen. Wichtig: spektrale Zusammensetzung! Gutes Objektiv-Datenblatt enthält Information über "spektrale Wichtung" Bildquelle: H.H.Nasse "Wie liest man MTF-Kurven?" (Carl Zeiss) Auflösungsvermögen: MTF-Bedeutung 28 MTFs interpretieren Sprachgebrauch: Mit "Kontrast" ist oft der Makrokontrast (kleine Ortsfrequenzen / große Flächen) gemeint Scharfe Kanten benötigen hohe Ortsfrequenzen ( "Schärfe", "Auflösung") Bildquelle: Th. Thöniß, "Objektive in der industriellen Bildverarbeitung" 14

Auflösungsvermögen: MTF-Bedeutung 29 MTFs interpretieren = Kontrast bei niedrigen u bricht am Bildrand ein Bildquelle: H.H.Nasse "Wie liest man MTF-Kurven?" (Carl Zeiss) Auflösungsvermögen: MTF-Bedeutung 30 MTFs interpretieren Bildquelle: H.H.Nasse "Wie liest man MTF-Kurven?" (Carl Zeiss) 15

Auflösungsvermögen: MTF-Bedeutung 31 Objektivauflösung & Sensor Wie gut soll/darf ein Objektiv auflösen? MTF-Grenzfrequenz < Nyquistfrequenz, sonst Bildartefakte (Aliasing, z.b. Moiré-Muster) u max! < u Ny = 1 2d, d: Pixelpitch, u max u beug_max Oft benutzt: u max MTF u max = 10% Auf der sicheren Seite mit u max u NY Bsp. Sensor mit d = 4 µm u Ny = 125 cy mm Wenn u max u Ny verschenkte Sensorauflösung (?) Nicht immer, z.b. bei subpixel-verfahren Einfache Vermeidung von Aliasing: etwas defokussieren Vorsicht bei Farbkameras: Pixel der einzelnen Farbkanäle haben größeren Abstand zueinander! Farbliches Aliasing, z.b. farbige Moiré-Muster Bildquelle: wikipedia.de Auflösungsvermögen: Die Sicht der Anderen 32 Fotografie Fotografen haben eigene Begriffe für Auflösungsvermögen ("Brillanz", Schärfe", "Schärfeeindruck", "Kantenschärfe", "Akutanz", "Zeichnung", ). Diese bewerten das fertige Bild/Foto (und damit die ganze Abbildungskette) und beschreiben z.t. das subjektive Empfinden des Betrachters Es gibt auch Versuche, MTF-Kurve auf eine Gütezahl zu reduzieren (Fläche unter MTF-Kurve, "Haynacherzahl", "Subjective Quality Factor SQF" ) Objektive für Fotografen, für Film/Video werden nach visuellen = subjektiven Kriterien optimiert. Gute Foto-Objektive sind nicht notwendigerweise auch gute Machine-Vision Objektive. Fotografie-Digitalkameras (insbes. Consumer-Kameras) sind selten für Machine- Vision geeignet 16

Auflösungsvermögen: Die Sicht der Anderen 33 Bildquelle: Franz Krauss, Die neuen Augen der digitalen Ästhetik - ARRI's Kamera ALEXA, ARRI Auflösungsvermögen: Defokussierung 34 Schärfentiefe Übliche Abschätzung basiert auf geometrischer Optik: Unschärfekreis = Projektion der Blende d Δs Schärfentiefebereich ergibt sich aus Vorgabe des maximal tolerierbaren Unschärfekreisdurchmessers Δs = s + s s s ± = 1 d ks/f 2 Keine (Qualitäts-) Eigenschaft des Objektivs 17

Auflösungsvermögen: Defokussierung 35 Schärfentiefe Genauere Betrachtung: Bildpunkt (Fokus) ist kein Punkt, sondern PSF Grenzkurve: 85% der Leistung in der PSF Δs Wie ändert sich PSF längs der optischen Achse? 3D-Problem, nicht unkompliziert Hier hauptsächlich von Interesse: Wie ändert sich Auflösungsvermögen längs der Achse = bei defokussierter Einstellung? Bisher betrachtet: PSF in der scharfen Ebene Auflösungsvermögen: Defokussierung 36 Axiale MTF Auch: "Through Focus MTF", "Fokus-MTF", "Fokussier-MTF" = Änderung der MTF mit zunehmender Defokussierung Gleiches Problem der Darstellung wie bei lageabhängiger MTF (Fkt. des Bildradius), auch hier typ. wieder ausgewählte Ortsfrequenzen Je weiter außerhalb fokussierter Bildebene, desto schlechter die Auflösung Bildquelle: H.H.Nasse "Wie liest man MTF-Kurven?" (Carl Zeiss) 18

Auflösungsvermögen: Defokussierung 37 Axiale MTF Erhöhte Schärfentiefe durch Abblenden! Stimmt, aber ggf. verschiebt sich beim Abblenden auch die Ebene der schärfsten Abbildung Verhältnisse auf der optischen Achse, können sich von Bildradien y 0 unterscheiden (neue Bildfeldwölbung) Bildquelle: H.H.Nasse "Wie liest man MTF-Kurven?" (Carl Zeiss) Übersicht 38 Objektive aus Innensicht Objektive aus Außensicht Auflösungsvermögen Weitere Objektiveigenschaften Tipps für den Einsatz Mechanik, Schutz und Reinigung Spezialobjektive und Filter 19

Weitere Objektiveigenschaften: Verzeichnung 39 Verzeichnung Abbildungsmaßstab hängt von Bildradius ab Rotationssymmetrische Ursache kartesische Gitter werden zu Tonnen / Kissen Typische Quantifizierung: Relative Verzeichnung = rel. Änderung der Bildhöhe D y = y real y ideal in %, y ideal ändert sich aber mit Bildhöhe Alternative: Angabe von Parameter(n) für gegebene Fitfunktion (z.b. Seidel, Tsai-Lenz) Bildquelle: Thöniß ""Objektive in der industriellen Bildverarbeitung" Weitere Objektiveigenschaften: Verzeichnung 40 Verzeichnung Achtung: Asymmetrische PSF kann über Schwerpunktbildung durch BV auch zu zusätzlicher Verzeichnung führen Verzeichnung besonders wichtig bei Messaufgaben, z.b. Photogrammetrie Korrektur per BV zwar möglich, aber Resultat ist nur eine Interpolation Bildquelle: Thöniß ""Objektive in der industriellen Bildverarbeitung" 20

Weitere Objektiveigenschaften: Vignettierung 41 Vignettierung Abfall der Bestrahlungsstärke zum Bildrand In Datenblättern auch: "Relative irradiance", "Relative ilumination" Natürliche Vignettierung (aus radiometrischem Abbildungsgesetz) ~ cos 4 θ obj, θ obj : objektseitiger Feldwinkel, hängt von F/# ab Mechanische Vignettierung: Strahlen treffen auf Blenden im Objektiv. Kann manchmal durch Abblenden verringert werden. Bildquelle: Wikipedia.de, Thöniß ""Objektive in der industriellen Bildverarbeitung" Weitere Objektiveigenschaften: Vignettierung 42 Bildkreis Maximaler Durchmesser des Bildes. Außerhalb ggf. gar nicht mehr ausgeleuchtet. Sensor sollte in Bildkreis passen! Sensorformate von 48 x 36 mm (= 60 mm diag.) bei Matrixsensoren (KAF 39000) und ~60mm Breite bei Zeilensensoren sind möglich Bildquelle: Canon 21

Weitere Objektiveigenschaften: Vignettierung 43 Mikrolinsen Mikrolinsen auf den Sensorpixeln erhöhen zwar die Empfindlichkeit (weniger Verluste durch nicht photoaktiven Teile der Pixelfläche CMOS!), aber: Akzeptanzwinkel wird geringer Steigender Bildwinkel: zuerst Vignettierung, dann evtl. sogar Übersprechen (Licht fällt auf Nachbarpixel)! Ohne Mikrolinsen Winkelabhängige Sensorempfindlichkeit Mit Mikrolinsen Bildquellen: Jos. Schneider Optische Werke GmbH, "Das perfekte Objektiv!?", ON Semiconductor Datenblatt KAI 29050 Weitere Objektiveigenschaften: Spektrale Transmission 44 Spektrale Transmission Glas absorbiert UV (unterhalb ~250 nm) und IR (oberhalb ~3 µm), je nach Glaszusammensetzung Anti-Reflex-Beschichtungen (AR Coating) der Linsen (Interferenzfilter) sind tendenziell stärker wellenlängenabhängig Ggf. Qualitätskriterium: spektrale Transmissionskurve Für andere Wellenlängenbereiche: andere Linsenmaterialien notwendig (UV: Quarz, Spiegel. IR: Silicium Zinkselenid, ) Bildquelle: Datenblatt Componon-S 2.8/50-0018, Schneider Kreuznach 22

Übersicht 45 Objektive aus Innensicht Objektive aus Außensicht Auflösungsvermögen Weitere Objektiveigenschaften Tipps für den Einsatz Mechanik, Schutz und Reinigung Spezialobjektive und Filter Tipps 46 Tipps für den Einsatz von Objektiven Abblenden Weniger Aberrationen bessere MTF / höhere Auflösung, volle Abbildungsleistungen oft 2 3 Blendenstufen unter max. Öffnung Manchmal weniger Vignettierung Größerer Schärfentiefenbereich Aber: Weniger Licht Aber: mehr Beugung schlechtere Auflösung (optimale Blende verwenden) Nach Veränderung der Blendeneinstellung ggf. Nachfokussieren (Verschiebung der Bildebene) Verwenden wie entworfen Objektive sind für bestimmte Objektweiten / Abbildungsmaßstäbe / Einstellbereiche optimiert. Außerhalb kann die Abbildungsqualität abnehmen (muss nicht). 23

Tipps 47 Bessere MTF durch Abblenden Blende 4 Blende 8 Blende 13,5 Bildquelle: Jos. Schneider Optische Werke GmbH, "Das perfekte Objektiv!?" Tipps 48 Beste MTF bei optimalem Abbildungsmaßstab Wie optimiert Abb.maßstab 1:20 Arb.abstand 1119 mm Abb.maßstab 1:10 Arb.abstand 609 mm Abb.maßstab 1:6 Arb.abstand 408 mm Bildquelle: Jos. Schneider Optische Werke GmbH, "Das perfekte Objektiv!?" 24

Tipps 49 Farbfehler ausschalten Wenn möglich (z.b. bei s/w-kameras) Spektralbereich einschränken = monochromatisches / einfarbiges Licht verwenden oder Filter vor Objektiv Reduktion der Farbfehler bessere Abbildungsleistung Achtung: resultierende Form der MTF hängt vom gewählten Spektrum ab Nominelle MTF für Weißlicht-Spektrum MTF für Schmalband-Spektrum Bildquelle: Jos. Schneider Optische Werke GmbH, "Das perfekte Objektiv!?" Tipps 50 Großer Bildkreis Abbildungsleistung sinkt zum Rand des spezifizierten maximalen Bildkreis Überdimensionieren, Bildkreis des Objektivs nicht voll ausnutzen Bildquelle: U.Schellenbach, Carl Zeiss AG, "Optimales Zusammenspiel von Kamera und Objektiv" 25

Tipps 51 Jenseits des Datenblatts Falls Datenblatt nicht ausreicht: versuchen Sie, vom Hersteller die Designparameter zu erhalten (z.b. Zemax-Daten) und simulieren Sie Ihren Fall selbst. Achtung, die idealisierten Designdaten sagen nichts über Fertigungstoleranzen aus reales Objektiv kann schlechter sein. Alternativ: messen Sie das Objektiv selbst aus Spezialanfertigung Wenn Sie kein kommerzielles Objektiv finden, das Ihren Ansprüchen genügt: lassen Sie sich eines entwerfen und bauen dafür gibt es spezialisierte Dienstleister Übersicht 52 Objektive aus Innensicht Objektive aus Außensicht Auflösungsvermögen Weitere Objektiveigenschaften Tipps für den Einsatz Mechanik, Schutz und Reinigung Spezialobjektive und Filter 26

Mechanik, Schutz und Reinigung 53 Objektivanschlüsse Bajonette (F-Mount ), Gewinde (C-Mount, CS-Mount, M42 ) unterscheiden sich durch: Auflagemaß, Bildkreisdurchmesser ggf. elektrische Kontaktierung An Sensor anpassen! Bildquellen: Framos GmbH, Wikipedia David L. Gilblom,"Cameras" in Bruce G. Batchelor (Ed.), "Machine Vision Handbook", Springer Verlag 2012 Mechanik, Schutz und Reinigung 54 Adapter Oft Adapter zwischen verschiedenen Mounts verfügbar aber nicht immer möglich wg. Auflagemaß Zwischenringe Werden zwischen Objektiv und Kameragehäuse gesetzt. Verlängerung der Bildweite Verringerung der Objektweite Makroaufnahme. Vorsicht: Objektive nicht im optimalen Einstellbereich Alternative für (extreme) Makroaufnahme: Objektiv umdrehen ("Retrostellung"). Spezielle Adapter ("Retroring", "Retroadapter") erhältlich. Einstellung In ruppigen Einsatzbedingungen: Fokus-/Blendeneinstellung fixieren! (Fixierschrauben). Auch wichtig: mechanische Stabilität des Objektiv-Inneren. Alternativ zur manuellen Einstellung: elektrisch/motorisch Bildquelle: wikipedia.de 27

Mechanik, Schutz und Reinigung 55 Schützen und Reinigen Dreck Objektive sind Umwelt ausgesetzt Verschmutzungen, insbes. Staub, kondensierende Fluide, Spritzer, Kein drastischer Einfluss, da nicht in (Zwischen-) Bildebene, nur auf Dauer Falschlicht / Kontrastverlust (genauso wie Kratzer) Schutz Passiv: Schutztubus (Luftsack) Schutzgehäuse mit Fenster Filter direkt auf dem Objektiv Aktiv: Luftvorhang / Luftschwert Vorsicht: Druckluft ist teuer. "Normale" Druckluft ist ölhaltig. Mechanik, Schutz und Reinigung 56 Schützen und Reinigen Reinigung "Dreck" kann hart sein nicht einfach abwischen! (Kratzer) Standardprozedur Abblasen, ggf. vorsichtig mit Pinsel abwischen Linsenreinigungspapier auflegen, wenig Reinigungsflüssigkeit (z.b. Alkohol) auftropfen, seitlich wegziehen Mit gefaltetem Reinigungspapier und viel Reiniger intensiver reiben Vorsicht vor Reiniger-Rückständen nach Verdunsten (reine Substanzen verwenden) Handschuhe tragen (Fett von Fingern löst sich im Reiniger) Reinigung besser geschultem Personal überlassen oder in Wartungsanleitung gut beschreiben 28

Übersicht 57 Objektive aus Innensicht Objektive aus Außensicht Auflösungsvermögen Weitere Objektiveigenschaften Tipps für den Einsatz Mechanik, Schutz und Reinigung Spezialobjektive und Filter Spezialobjektive und Filter: Telezentrie 58 Telezentrische Objektive Abbildungsmaßstab hängt nicht von Objektweite ab Mess-Aufgaben Perspektivzentrum (= Mitte der Eintrittspupille) liegt im Unendlichen Durchmesser der ersten Linse > Objektgröße groß, schwer und teuer Ausgelegt für festen Arbeitsabstand ( = Mitte des Schärfentiefenbereichs und des Telezentriebereichs) Auch telezentrische Objektive haben begrenzte Schärfentiefe, zeigen Verzeichnungen und haben begrenztes Bildfeld ( Sensorgröße!) Entoentrisches- Telezentrisches- Objektiv Bildquellen: Navitar (www.navitar.com, 20.10.15); K.Hentschel, M.Müller, Quality Engineering 1999; Opto GmbH (http://www.opto.de/cms/index.php?article_id=112&clang=1, 22.9.2015) und 29

Spezialobjektive und Filter: Exotische Objektive 59 Hyperzentrische Objektive Perspektivzentrum liegt hinter der hinteren Brennebene Objekte in größerem Abstand werden kleiner abgebildet als nahe Objekte Vorderer Objektivdurchmesser Objekt-Durchmesser Bildquelle: Light Works, LLC (www.l4u.com, 20.10.15), Opto-Engineering (www.opto-telecentric.com, 20.10.15) Spezialobjektive und Filter: Exotische Objektive 60 Multi-/Polyview Aufteilung in mehrere Teilbilder aus unterschiedlichen Perspektiven Bildquelle: Opto-Engineering (www.opto-telecentric.com, 20.10.15) 30

Spezialobjektive und Filter: Exotische Objektive 61 Katadioptrisches Objektiv zur Loch-/Hohlrauminspektion Bildquelle: Opto-Engineering (www.opto-telecentric.com, 20.10.15) Spezialobjektive und Filter 62 Spielarten: Variable Brennweite Zoom-Objektive Verstellbare Brennweite durch Verschiebung von Linsengruppen. Beliebt bei (Amateur-) Fotografen. Scheinbar sehr praktisch, aber: hoher Aufwand in Objektivkonstruktion keine optimale Korrektion anfällige mechanische Elemente, meist nicht arretierbar Flüssiglinsen Variable Brennweite durch Verformung der Linse, z.b. über elektrische Felder. Vorteil: keine mechanischen Komponenten (verschleißfrei) Entwicklung der letzten Jahre Nur eine Linse. Schwierig, optimale Linsenform beim Verformen beizubehalten eingeschränkte Abbildungsqualität Bildquelle: Wikipedia.de; Optotune / Stemmer-Imaging 31

Spezialobjektive und Filter: Filter 63 Farbfilter: Farbgläser Zusätze im Glas Absorption in gewissen Spektralbereichen Immer relativ breitbandige Absorptions-/Transmissionskurven In gewissen Grenzen Kanten- und Bandpassfilter realisierbar Bildquelle: SCHOTT AG Spezialobjektive und Filter: Filter 64 Farbfilter: Interferenzfilter Aufbau von vielen dünnen, dielektrische Schichten auf Glassubstrat Interferenzen Sehr genau konfigurierbare Spektren: Kantenfilter, Bandpassfilter (Sperr- und Durchlassfilter) Sehr steile Kanten und Bandpassbreiten im Bereich weniger Nanometer Manchmal in Kombination mit Farbgläsern Filterspektren sind abhängig vom Licht-Einfallswinkel! (ggf. auch von Temperatur) Mechanisch / thermisch empfindlicher als Farbgläser Keine Absorption. Was nicht transmittiert wird, wird reflektiert Varianten: Hot Mirror / Cold Mirror Bildquellen: LOT-Quantum Design, SCHOTT AG 32

Spezialobjektive und Filter: Filter 65 Farbfilter: Nutzen Kontrastverstärkung bei farbigen Objekten Ausblenden von Fremdlicht Verbesserung der Abbildungsqualität Ohne Filter Mit Filtern: Unterdrückung Hintergrundlicht Kontrastverstärkung Aufdruck Polfilter gegen Reflexe Bildquelle: Midwest Optical Systems Spezialobjektive und Filter: Filter 66 Neutraldichte-Filter = Graufilter Realisierung Absorption (analog Farbgläsern). Ggf. außerhalb des VIS nicht mehr "grau" Reflektion (dünne Metallschicht). Starke Reflexe Nutzen: Falls zuviel Licht und Blende und Integrationszeit können nicht verändert werden Polarisationsfilter Lineare und zirkulare Polarisatoren Meist auf Basis von Kunststofffolien (ggf. zwischen Schutzgläsern) Nutzen: z.b. Unterdrückung von Reflexen auf spiegelnden Oberflächen Bildquelle: Midwest Optical Systems 33

Literatur 67 K. Lenhardt, "Optical systems in Machine Vision" in A. Hornberg ed., "Handbook of Machine Vision", Wiley VCH (2008) Th. Thöniß, Linos Photonics GmbH, "Objektive in der industriellen Bildverarbeitung", Fachtagung Optische Industriesensorik (2006), www.winlens.de/fileadmin/user_upload/dateien/technical_papers/objektive_in_der_industriellen_bildver arbeitung.pdf H. H. Nasse, Carl Zeiss AG, "Wie liest man MTF- Kurven?" (Dez. 2008), www.zeiss.com/content/dam/photography/new/pdf/de/cln_archiv/cln30_de_web_special_mtf_01.pdf H. H. Nasse, Carl Zeiss AG, "Wie liest man MTF- Kurven? Teil II" (März 2009), www.zeiss.com/content/dam/photography/new/pdf/de/cln_archiv/cln31_de_web_special_mtf_02.pdf "All things photonic the CVI Melles Griot Technical Guide", CVI Melles Griot Vorträge auf dem Stemmer-Technologieforum 2015 (pages.stemmer-imaging.de/techforum-download/): U.Schellenbach, Carl Zeiss AG, "Optimales Zusammenspiel von Kamera und Objektiv" Jos. Schneider Optische Werke GmbH, "Das perfekte Objektiv!?" Literatur - Normen 68 DIN ISO 9334:2015-12, "Optik und Photonik - Optische Übertragungsfunktion - Begriffe und mathematische Beziehungen" DIN ISO 9335:2015-12, "Optik und Photonik - Optische Übertragungsfunktion - Prinzipien und Messverfahren" ISO 9336-1:2010, "Optics and photonics -- Optical transfer function -- Application -- Part 1: Interchangeable lenses for 35 mm still cameras" DIN ISO 11421:2010-10, "Optik und optische Instrumente - Genauigkeit von Messungen der optischen Übertragungsfunktion" DIN 58186:1982-10, "Qualitätsbewertung optischer Systeme; Bestimmung des Falschlichts" ISO 9358:1994-07, "Optik und optische Instrumente - Falschlicht von abbildenden Systemen - Definitionen und Messmethoden" DIN ISO 9039:2008-08, "Optik und Photonik - Qualitätsbewertung optischer Systeme - Bestimmung der Verzeichnung" DIN ISO 15795:2008-04, "Optik und Photonik - Beurteilung der Qualität optischer Systeme - Bestimmung der Beeinträchtigung der Bildqualität durch chromatische Aberrationen" 34