Optimales Zusammenspiel von Kamera und .Carl Zeiss AG, Udo Schellenbach, PH-V Optimales...

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  • 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

  • Carl Zeiss AG, Udo Schellenbach, PH-V

    Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

    Welchen Stellenwert nimmt die Optik bei

    Bildverarbeitern oft ein?

  • Carl Zeiss AG, Udo Schellenbach, PH-V

    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?

  • Carl Zeiss AG, Udo Schellenbach, PH-V

    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?

  • Carl Zeiss AG, Udo Schellenbach, PH-V

    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?

  • Carl Zeiss AG, Udo Schellenbach, PH-V

    Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

    Trivialitäten:

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

    den Sensor ab?

  • Carl Zeiss AG, Udo Schellenbach, PH-V

    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

  • Carl Zeiss AG, Udo Schellenbach, PH-V

    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

  • Carl Zeiss AG, Udo Schellenbach, PH-V

    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.

  • Carl Zeiss AG, Udo Schellenbach, PH-V

    Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

    Nicht mehr ganz so trivial:

    • Bei welchem Wellenlängenbereich wird gearbeitet? (Weißes Licht,

    monochromes Licht, NIR…)

    Weißes Licht Monochrom: 556 nm Monochrom: 800 nm

  • Carl Zeiss AG, Udo Schellenbach, PH-V

    Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

    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)

  • Carl Zeiss AG, Udo Schellenbach, PH-V

    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

  • Carl Zeiss AG, Udo Schellenbach, PH-V

    Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

    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

  • Carl Zeiss AG, Udo Schellenbach, PH-V

    Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

    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.

  • Carl Zeiss AG, Udo Schellenbach, PH-V

    Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

    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.

  • Carl Zeiss AG, Udo Schellenbach, PH-V

    Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

    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.

  • 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

    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

  • Carl Zeiss AG, Udo Schellenbach, PH-V

    Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik

    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

  • Carl Zeiss AG, Udo Schellenbach, PH-V

    Optimales Zusammenspi