Carl Zeiss AG, Udo Schellenbach, PH-V

Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

Carl Zeiss AG, Udo Schellenbach, PH-V

Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

Trivialitäten

Nicht mehr ganz so trivial

Geheimwissen

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Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

Welchen Stellenwert nimmt die Optik bei

Bildverarbeitern oft ein?

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Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

Trivialitäten:

• Wie groß ist der Sensor der Kamera? – Deckt der Bildkreis des Objektivs

den Sensor ab?

• Welchen Mount stellen Kamera und Objektiv zu Verfügung? - Ist eine

Verbindung ohne Weiteres möglich? - Wie stabil soll diese Verbindung

sein?

• Welches Anlagemaß hat die Kamera? – Passt das Objektiv dazu? Kann

ein Adapter dieses Anlagemaß überbrücken?

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Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

Nicht mehr ganz so trivial:

• Bei welchem Wellenlängenbereich wird gearbeitet? (Weißes Licht,

monochromes Licht, NIR…)

• Wie empfindlich ist der Sensor gegen die Einfallswinkel der Lichtstrahlen?

• Wie empfindlich ist die Kamera, resp. welche Öffnung braucht das

Objektiv?

• Welche Auflösung im Objekt soll erzielt werden? – Wie groß sollen die

Pixel im Objekt sein? - Wie groß kann dann das abgebildete Feld sein?

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Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

Geheimwissen:

• Wird im idealen Einstellungsbereich des Objektivs gearbeitet bzw. hat das

Objektiv ein Floating Elements Design?

• Wie ist die Orthogonalität des Sensors zur optischen Achse spezifiziert

und wie empfindlich reagiert die Optik darauf?

• Gibt es periodische feine Strukturen, die vom Sensor nicht mehr aufgelöst

werden können?

• Gibt es farbige periodische Strukturen, die von einem Sensor mit Bayer

Filter unterschiedlich aufgelöst werden?

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Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

Trivialitäten:

• Wie groß ist der Sensor der Kamera? – Deckt der Bildkreis des Objektivs

den Sensor ab?

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Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

Trivialitäten:

• Wie groß ist der Sensor der Kamera? – Deckt der Bildkreis des Objektivs

den Sensor ab?

u´ ist die Bildhöhe!

Die Sensordiagonale sollte

kleiner sein als 2 x u´

Ist der Sensor wesentlich kleiner als der

Bildkreis, bekommt man i.d.R. die beste

Leistung des Objektivs

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Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

Trivialitäten:

• Welchen Mount stellen Kamera und Objektiv zu Verfügung? - Ist eine

Verbindung ohne Weiteres möglich? - Wie stabil soll diese Verbindung

sein?

• Welches Anlagemaß hat die Kamera? – Passt das Objektiv dazu? Kann

ein Adapter dieses Anlagemaß überbrücken?

Typische Anlagemaße:

F-Mount: 46,5 mm

EF-Mount: 44,5 mm

M42x1 Mount: 45,5 mm

C-Mount: 17,53 mm

Funktioniert: F-Mount auf C-Mount

Funktioniert: F-Mount auf EF-Mount

Funktioniert nicht: F-Mount auf EF-Mount

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Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

Nicht mehr ganz so trivial:

• Bei welchem Wellenlängenbereich wird gearbeitet? (Weißes Licht,

monochromes Licht, NIR…)

Die Transmissionskurve

kann für den einen oder

anderen

Wellenlängenbereich

angepasst werden, wenn

man unterschiedliche

Coatings verwendet.

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Nicht mehr ganz so trivial:

• Bei welchem Wellenlängenbereich wird gearbeitet? (Weißes Licht,

monochromes Licht, NIR…)

Weißes Licht Monochrom: 556 nm Monochrom: 800 nm

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Nicht mehr ganz so trivial:

• Wie empfindlich ist der Sensor gegen die Einfallswinkel der Lichtstrahlen?

Quelle: http://www.elektronikpraxis.vogel.de/

Biogon 2/35: Maximaler

Hauptstrahlwinkel 31°, kann

bei Vollformatsensoren mit

Mikrolinsen zu Farbfehlern in

der Ecke führen. Gut für

Sensoren 4/3“. Vollformat

bedingt

Loxia 2/35: Maximaler

Hauptstrahlwinkel 16°, so

gut wie keine

Einschränkung bei

Vollformatsensoren.43 mm

Bildkreis (24 x 36 mm)

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Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

Nicht mehr ganz so trivial:

• Wie empfindlich ist die Kamera, resp. welche Öffnung braucht das

Objektiv?

Eine Blendeneinstellung von 1,4 liefert gegenüber einer Öffnung von 4,0 400% mehr Licht

für den Sensor, aber man muss in Kauf nehmen, dass die Leistung (der Kontrast und die

Farbkorrektur schlechter werden). Nur sehr teure und große Objektive liefern bei großer

Öffnung eine Top Leistung.

Milvus 1.4/85 bei 4,0 Milvus 1.4/85 bei 1,4

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Nicht mehr ganz so trivial:

• Welche Auflösung im Objekt soll erzielt werden? – Wie groß sollen die

Pixel im Objekt sein? - Wie groß kann dann das abgebildete Feld sein?

2 LP/mm 80 LP/mm

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Nicht mehr ganz so trivial:

• Welche Auflösung im Objekt soll erzielt werden? – Wie groß sollen die

Pixel im Objekt sein? - Wie groß kann dann das abgebildete Feld sein?

Beispiel:

Gewünschte (Pixel) Auflösung im Bild: 20 µm

Die verwendete Kamera hat eine Pixelgröße von 3 µm

Das benötigte ß ist also 1:7

ß =𝑃𝑖𝑥𝑒𝑙𝑔𝑟.

𝑃𝑖𝑥𝑒𝑙𝑔𝑟. 𝑖𝑚 𝑂𝑏𝑗.

Gewünschte Feldgröße: 140 x 100 mm (172 in der Diag.)

Die verwendete Kamera hat eine Sensordiagonale von 16 mm

Das benötigte ß ist also 1:10

ß =𝑆𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟𝑑𝑖𝑎𝑔.

𝑂𝑏𝑗𝑒𝑘𝑡𝑑𝑖𝑎𝑔.

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Nicht mehr ganz so trivial:

• Welche Auflösung im Objekt soll erzielt werden? – Wie groß sollen die

Pixel im Objekt sein? - Wie groß kann dann das abgebildete Feld sein?

Entweder muss also das Objektfeld verkleinert werden, oder der Sensor

vergrößert. z.B. ein Vollformatsensor mit 24x36 mm (43 mm Diag.)

In unserem Fall entscheiden wir uns für einen größeren Sensor und können so

das Feld von 140 x 100 mm mit einer Auflösung von 20 µm aufnehmen.

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Nicht mehr ganz so trivial:

• Welche Auflösung im Objekt soll erzielt werden? – Wie groß sollen die

Pixel im Objekt sein? - Wie groß kann dann das abgebildete Feld sein?

Gewünschter Arbeitsabstand (g): 250 mm

Die benötigte Brennweite ist hier also ca. 28 mm! 𝑔 =

𝑓(1 + ß)

ß

Bei einer Pixelgröße von 3 µm und einem Vollformatsensor benötigt man einen

Sensor mit 71 Mpixeln. Dieser reagiert natürlich sehr empfindlich auf Änderungen des

Kontrasts. Weitwinkelobjektive fallen zum Rand hin leistungsmäßig aber ab.

Man hat nun die Wahl, den schlechteren Kontrast zum Rand hin zu akzeptieren, oder

den Arbeitsabstand zu ändern, um ein besser zu kontrollierendes Objektiv, wie z.B ein

Apo Distagon 1.4/55 einzusetzen.

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Nicht mehr ganz so trivial:

• Welche Auflösung im Objekt soll erzielt werden? – Wie groß sollen die

Pixel im Objekt sein? - Wie groß kann dann das abgebildete Feld sein?

Objektdiagonale: 81 mm

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Relativ einfaches Planar

1.4/50 mit 16 Mpixel

Sensor

Aufwendiges

Apo Sonnar 1.4/55

mit 16 Mpixel Sensor

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Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

Relativ einfaches Planar

1.4/50 mit 71 Mpixel

Sensor

Aufwendiges

Apo Sonnar 1.4/55

mit 71 Mpixel Sensor

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Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

Relativ einfaches Planar 1.4/50 mit

16 Mpixel Sensor

Relativ einfaches Planar 1.4/50 mit

71 Mpixel Sensor

aufwendiges Apo Sonnar 1.4/55 mit

16 Mpixel Sensor

aufwendiges Apo Sonnar 1.4/55 mit

71 Mpixel Sensor

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Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

Geheimwissen:

• Gibt es farbige periodische Strukturen, die von einem Sensor mit Bayer

Filter unterschiedlich aufgelöst werden?

• Das Auflösungsvermögen der einzelnen Farbkanäle ist unterschiedlich,

weil die Filter beim Bayer Pattern unterschiedlich angeordnet sind.

Die Verteilungsdichte der

grünen Pixel, insbesondere in

diagonaler Richtung ist größer

als die der roten und blauen.

Deswegen sind Moirés bei

periodischen roten oder

blauen Strukturen wahr-

scheinlicher.

4-Farben Rasterdruck,

Magenta, Gelb, Cyan, Schwarz

Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

Abbildung 1:2 auf Bayersensor

Rasterfrequenz = 0.15 x Nyquist

Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

Abbildung 1:5 auf Bayersensor

Rasterfrequenz = 0.4 x Nyquist

Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

Abbildung 1:8 auf Bayersensor

Rasterfrequenz = 0.6 x Nyquist

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Geheimwissen:

• Arbeiten Sie im idealen Fokusbereich des Objektivs? Wie reagiert das

Objektiv außerhalb dieses Bereichs, bzw. hat das Objektiv ein Floating

Elements Design?

Infinity Close Focus

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Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

Gesamtverstellung:

Beim Fokussieren wird das

gesamte Linsenpaket vor

und zurück bewegt.

Floating Design:

Beim Fokussieren wird das

gesamte Linsenpaket vor und

zurück bewegt und zusätzlich die

Hintergruppe.

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