Wichtige Objektivspezifikationen und Berechnungen für industrielle Kamerasysteme

When choosing and setting up lenses for industrial camera systems and applications, there are a few important parameters to consider if you want to achieve optimal results. First of all, the lens mount must be compatible. This consists of a bayonet and the electronics that allow the lens and camera housing to be connected. In industrial applications, the C-mount, M12-mount and F-mount, among other lens mounts, are often used due to certain properties.

Gängige industrielle Objektivanschlüsse:

• C-Mount
• M12-Montage
• F-Mount

Jede Fassung bietet spezifische Vorteile in Bezug auf den Formfaktor und die optischen Eigenschaften.

Brennweite: Was sie ist und warum sie wichtig ist

Die Brennweite bestimmt das Sichtfeld (FOV ) und wie viel von einer Szene die Kamera einfängt.

• Kurze Brennweiten = Weitwinkel- oder Panoramablick
• Lange Brennweiten = enger, vergrößerter Blick (Teleobjektiv)

Zum Beispiel:

• C-Mount: Menschenähnliches FOV = 16-20 mm
• M12-Montage: Menschenähnliches FOV = 12-16 mm

The focal length is one of the most important criteria when choosing a lens, because it determines the visible area in which you want to create images. Lenses with a short focal length are suitable for large-area shots, while lenses with a long focal length can capture objects that are far away. Accordingly, these are classified into wide-field or panorama lenses (short focal lengths) and telephoto lenses (long focal lengths). Focal lengths in between most closely match the human field of vision. But which focal length has which effect also depends on the sensor or sensor size. For example, if you want to reproduce the human field of vision as accurately as possible, a lens with a focal length between 16-20mm would be necessary for C-mounts, and a focal length of 12-16mm for an M12 mount.

Berechnen der Brennweite

The focal length calculator takes into account image size, object distance and object size to recommend the most suitable lens focal length for your specific application.

Wie funktioniert der Brennweitenberechner?

• Der Benutzer gibt den Arbeitsabstand (WD), das horizontale Sichtfeld (FOV), das vertikale FOV, die Anzahl der Pixel (horizontal), die Anzahl der Pixel (vertikal) und die Pixelgröße ein.
• Die Sensorgröße wird dann horizontal, vertikal und diagonal berechnet. Wir verwenden die Grundformeln zur Berechnung der horizontalen, vertikalen und diagonalen Sensorgröße. Beachten Sie den Unterschied zwischen: – Aktive Pixelfläche: Die aktive Pixelfläche bezieht sich auf den physischen Bereich auf einem Bildsensor, der lichtempfindlich ist und die eigentlichen Bilddaten aufnimmt. – Effektive Pixelfläche: Die effektive Fläche eines CMOS-Sensors umfasst den abgeschirmten optischen Schwarzbereich, der einen durchschnittlichen Dunkelstrom und eine Spannungsvorspannung als Referenz für die aktiven Pixel erzeugt. – Empfohlene Pixelfläche: bezieht sich auf die vom Sensorhersteller empfohlene Aufnahmefläche.
• Die Vergrößerung wird dann anhand der folgenden Formel berechnet: M=Horizontale Sensorgröße/Horizontales Sichtfeld
• Schließlich wird die Vergrößerung verwendet, um die gewünschte Brennweite zu berechnen.

Brennweitenberechnung – Grundwissen

Bei der Berechnung der Brennweite in bildgebenden Systemen sind die folgenden wichtigen Aspekte zu beachten:

1. Lens Formula: The lens formula is the basis for calculating the focal length, stating that the reciprocal of the focal length 1/f is equal to the sum of the reciprocals of the object distance 1/u and the image distance 1/v. This formula is derived from the principles of lens imaging in geometric optics.
2. Objekt- und Bildentfernung: Um die Brennweite zu berechnen, müssen Sie die Objektentfernung (u) und die entsprechende Bildentfernung (v) messen. Die Objektentfernung ist die Entfernung zwischen dem Objektiv und dem abzubildenden Objekt, während die Bildentfernung die Entfernung zwischen dem Objektiv und dem auf dem Bildsensor oder Film erzeugten Bild ist.
3. Einheiten: Die Brennweite eines Kameraobjektivs wird normalerweise in Millimetern (mm) angegeben. Um genaue Ergebnisse zu erzielen, sollten Sie sicherstellen, dass Sie einheitliche Einheiten für die Motiv- und Bildabstände verwenden.
4. Dünne Linse und paraxiale Approximation: Bei der Berechnung der Brennweite wird angenommen, dass die Linse dünn ist und die Lichtstrahlen nahe an der optischen Achse liegen. Dies führt zu einer vereinfachten Analyse, die als paraxiale Näherung bezeichnet wird. Diese Näherung ist für viele praktische Situationen gültig, gilt aber möglicherweise nicht für komplexe optische Systeme oder spezielle Linsen.
5. Vorzeichenkonvention (einfaches Objektiv): Die Brennweite kann je nach Objektivtyp positiv oder negativ sein. Eine positive Brennweite steht für eine konvergierende Linse (z.B. eine konvexe Linse), während eine negative Brennweite für eine divergierende Linse (z.B. eine konkave Linse) steht.
6. Mehrere Objektive oder Objektivsysteme: In Fällen, in denen mehrere Linsen oder Linsensysteme beteiligt sind, kann die Gesamtbrennweite mit komplexeren Formeln für Linsenkombinationen berechnet werden.
7. Kalibrierung und Präzision: Die Berechnung der Brennweite erfordert eine genaue Messung der Objekt- und Bildabstände. Die Kalibrierung von Messinstrumenten und sorgfältige Messtechniken sind unerlässlich, um genaue Ergebnisse zu gewährleisten.
8. Beschränkungen und Überlegungen: Bei der Berechnung der Brennweite wird von idealisierten Bedingungen ausgegangen. Faktoren wie Objektivdefekte, Aberrationen und Verzerrungen werden möglicherweise nicht berücksichtigt. Diese Faktoren können die tatsächliche Leistung von Objektiven in realen Abbildungssystemen beeinflussen.

Wenn Sie diese wichtigen Aspekte verstehen, können Sie Brennweitenberechnungen durchführen, um die Eigenschaften von Objektiven und ihre Auswirkungen auf Abbildungssysteme zu bestimmen. Dies wird Ihnen helfen, geeignete Objektive für bestimmte Anwendungen auszuwählen.

Tiefenschärfe

Ein weiterer wichtiger Aspekt von Objektiven sind die Bedingungen, unter denen scharfe Bilder erzeugt werden können. Während im künstlerischen Bereich oft das so genannte Bokeh verwendet wird – das ist ein Diffusionseffekt, der eine Unschärfe um ein bestimmtes Objekt im Fokus des Bildes erzeugt – ist für die industrielle Bildverarbeitung eine gleichbleibend hohe Schärfe über das gesamte Bild wichtig und notwendig. Dies vereinfacht die Objekterkennung, so dass anschließend weitere Schritte durchgeführt werden können. Ein hohes Maß an Bildschärfe wird erreicht, indem die Blende so weit wie möglich geschlossen wird. Wenn die Blende jedoch weit geöffnet ist, werden die Bildränder unscharf.

Die Schärfentiefe hat also einen Bereich akzeptabler Schärfe innerhalb eines Bildes, der als Zerstreuungskreis bezeichnet wird und jenseits dessen Objekte zunehmend unscharf werden. Daher sind geschlossene Blenden (hohe Blendenzahl) ideal für industrielle Anwendungen, während offene Blenden (niedrige Blendenzahl) eher weniger geeignet sind. Leider fällt bei einer geschlossenen Blende und damit einer hohen Blendenzahl weniger Licht auf die Sensoroberfläche, wodurch das Bildergebnis dunkler wird. Daher muss ein Kompromiss zwischen Schärfe und Lichteinfall gefunden werden, bei dem die gewünschten Objekte noch scharf im Bild zu sehen sind. Dementsprechend wird die Schärfentiefe als ein durch einen kleinsten und einen größten Abstand begrenzter Bereich definiert, innerhalb dessen die vorhandenen Objekte ausreichend scharf abgebildet werden.

Scharfe Bilder für industrielle Anwendungen erstellen

Es gibt mehrere Möglichkeiten, ein scharfes Bild zu erzeugen: Ein Objektiv mit einer höheren Lichtausbeute aufgrund der Pixelstruktur auf dem Sensor und der Quantenausbeute kann helfen, hellere Bilder zu erzeugen, wenn die Blende geschlossen ist. Eine Methode, die Sie direkt beeinflussen können, besteht darin, eine Szene einfach länger zu belichten. Dies führt zu helleren Bildern, ist aber nur ratsam, wenn sich die zu fotografierenden Objekte nicht bewegen, da sonst Bewegungsunschärfe im Bild auftritt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die ISO-Zahl zu erhöhen und so die Lichtausbeute manuell zu steigern. Dies hat jedoch den Nachteil, dass mit steigender ISO-Zahl Rauschartefakte auftreten. Die richtige Einstellung der Schärfentiefe für industrielle Anwendungen hängt von den spezifischen Umgebungsbedingungen, der Wahl des Objektivs und des Sensors (größere Sensoren können potenziell mehr Licht absorbieren) und davon ab, was noch als ausreichend angesehen werden kann, um eine Anwendung erfolgreich durchzuführen.

Optische Faktoren, die die Schärfentiefe beeinflussen

• Brennweite – Die Brennweite bezieht sich auf den Abstand zwischen dem optischen Ursprung einer Kamera oder eines optischen Systems und dem Bildsensor oder Film, wenn ein entferntes Objekt im Fokus ist. Sie bestimmt die Vergrößerung und den Blickwinkel des Objektivs, was sich wiederum darauf auswirkt, wie das Bild dargestellt wird. Einfacher ausgedrückt, bestimmt die Brennweite, wie viel von der Szene erfasst wird und wie groß oder klein Objekte auf dem Bild erscheinen. Eine kürzere Brennweite fängt ein größeres Sichtfeld ein, während eine längere Brennweite das Motiv vergrößert und das Sichtfeld verengt.
• Blendengröße – Die Blendengröße bezieht sich auf den Durchmesser der Öffnung in einem Kameraobjektiv, durch die das Licht eintritt. Die Blendengröße beeinflusst die Schärfentiefe und damit den Grad der Hintergrundunschärfe in einem Foto. Eine größere Blendenzahl führt zu einer geringeren Schärfentiefe, während eine kleinere Blendenzahl (größere Blendengröße) zu einer größeren Schärfentiefe führt. Die Blendenzahl bestimmt auch die Lichtmenge, die den Bildsensor oder den Film der Kamera erreicht. Eine größere Blendenzahl lässt mehr Licht durch, was zu einem helleren Bild führt, während eine kleinere Blendenzahl die Lichtmenge einschränkt, was zu einem dunkleren Bild führt. Daher muss die Blendengröße sorgfältig ausgewählt werden, wobei der Kompromiss zwischen Schärfentiefe und Lichtsammelwirkung zu berücksichtigen ist.
• Zerstreuungskreis – In der Optik bezieht sich der Zerstreuungskreis auf ein grundlegendes Konzept im Zusammenhang mit der Entstehung eines fokussierten Bildes. Wenn Licht durch ein Objektiv fällt und auf der Bildebene (z. B. auf dem Film oder dem digitalen Sensor einer Kamera) konvergiert, bildet es für jeden Objektpunkt in der Szene einen Konfusionskreis. Aufgrund verschiedener optischer Faktoren, wie der begrenzten Größe der Objektivöffnung, der Beugung und der Linsenabweichungen, ist das fokussierte Bild einer Punktquelle kein perfekter Punkt, sondern ein unscharfer Fleck.
• Arbeitsabstand – In der Optik ist der Arbeitsabstand der Abstand zwischen der Vorderseite eines Objektivs oder Linsensystems und dem zu betrachtenden oder zu bearbeitenden Objekt. Der Arbeitsabstand ist ein wichtiger Faktor bei verschiedenen Anwendungen, wie z.B. Mikroskopie, Bildgebung und industrielle Inspektion, bei denen eine präzise Positionierung oder die Verwendung von Hilfsmitteln erforderlich ist.