Für den richtigen Durchblick: So finden Sie das passende Objektiv zu Ihrer Kamera
Um ein gutes, das heißt scharfes, Bild zu erhalten, benötigen Sie nicht nur eine gute Kamera, sondern auch das zu dieser Kamera passende Objektiv. Schon bei der ersten Recherche fällt die schier unendliche Auswahl an möglichen Objektiven auf: Bei digitalen Kompaktkameras haben Sie meistens ein fest installiertes Objektiv, bei digitalen Spiegelreflexkameras können Sie mit Wechselobjektiven arbeiten, um in den unterschiedlichsten Situationen das bestmögliche Bild zu erhalten. Die einzelnen Objektive unterscheiden sich nicht nur in ihrer Auflösung, Brennweite und Größe, sondern auch in ihrer Bauart. Diese „Problematik“ gibt es auch bei Machine Vision Kameras und den dazu passenden Objektiven. Welches Objektiv wann das richtige ist, möchten wir Ihnen im folgenden Artikel erläutern.
Welche Objektivtypen gibt es?
Bevor wir die einzelnen Punkte beleuchten, die Sie für die Objektivauswahl berücksichtigen müssen, sollten wir zunächst einmal die verschiedenen Objektivtypen betrachten. Wir sprechen in der Regel von entozentrischen oder telezentrischen Objektiven, sowie von Weitwinkel- und Fisheye-Objektiven. Außerdem gibt es noch spezielle Objektive für das nahe Infrarot.
Im Folgenden konzentrieren wir uns allerdings nur auf entozentrische Objektive, wie sie in einem Großteil von Machine Vision Anwendungen vorkommen. Entozentrische Normalobjektive haben einen festen Öffnungswinkel, sowohl zum Objekt hin als auch zum Sensor hin. Der Öffnungswinkel ist dem des menschlichen Auges ähnlich. Objekte in weiterer Entfernung erscheinen kleiner und Objekte in kürzerer Entfernung erscheinen größer. Und tatsächlich: Die am häufigsten vorkommende entozentrische Linse befindet sich im menschlichen Auge.
Welche Faktoren muss ich bei der Objektivauswahl beachten?
1. Sensorgröße und Bildkreis
Die Sensorgröße ist ein entscheidender Faktor, wenn es um die Wahl des richtigen Objektivs geht. Besonders hochauflösende Flächen- und Zeilenkameras haben größere Sensoren als Kameras mit geringerer Auflösung. Die Abmessungen von Sensoren sind in keiner Norm festgelegt, sondern ergeben sich aus der Auflösung und der Pixelgröße des Sensors. Theoretisch ist hier so gut wie alles möglich, es ist nur eine Preisfrage. Die Sensorgröße wird in Zoll angegeben, allerdings entspricht eine Sensordiagonale von 1 Zoll 16 mm und nicht 25,4 mm. Dies hat historische Gründe.
1.1 Mount
Der Anschluss der Kamera, an dem das Objektiv angebracht wird, entspricht einer genormten Größe und wird in der Regel mit dem englischen Begriff „Mount“ bezeichnet.
Ein C-Mount, die am weitesten verbreitete Mount-Art bei Machine Vision Kameras, ist sinnvoll bis zu einer Sensordiagonale von etwa 20 mm – das entspricht 1,5 Zoll. Danach verwendet man in der Regel ein F-Mount oder F-Bajonett, allerdings kommt dieses Format bei Industrieanwendungen eher selten vor. Geläufiger sind dafür CS- und S-Mounts, die bei Kameras mit kleineren Sensoren Verwendung finden. S-Mount-Objektive werden bei einer Sensorgröße von 1/2″, 1/3″ oder kleiner verwendet. Um ein C-Mount-Objektiv an eine CS-Mount-Kamera anschließen zu können, benötigen Sie einen 5 mm Adapterring. Umgekehrt funktioniert das ganze allerdings nicht. Sie können ein CS-Mount-Objektiv nicht an eine C-Mount-Kamera anschrauben.
1.2 Bildkreisdurchmesser
Der Mount eines Objektivs beziehungsweise die Mount-Größe lässt nur bedingt einen Rückschluss auf den Bildkreis zu. Als Bildkreis bezeichnen wir die Fläche des Sensors, die vom Objektiv gleichmäßig und ohne Abschattungen am Rand – auch als Vignettierung bekannt – belichtet werden kann.
Der Bildkreisdurchmesser wird genau wie die Sensorgröße in Zoll angegeben. Ein 1/3″ C-Mount-Objektiv sollten Sie dementsprechend auch am besten auf eine Kamera mit einem 1/3″ großen Sensor aufschrauben. Dadurch wird der vorhandene Bildkreis optimal genutzt. Wenn wir jetzt dasselbe Objektiv auf eine Kamera mit 1/2″ großem Sensor aufschrauben würden, bekämen wir es mit der Vignettierung zu tun.
Angenommen, wir nutzen ein 2/3″ Objektiv mit derselben Brennweite und einen 1/3″ Sensor. Dann haben wir zwar kein Problem mit der Vignettierung, doch der Bildwinkel ändert sich. Prinzipiell ist das sogar ein Vorteil, denn durch das größere Objektiv entsteht ein größerer Bildkreis, was bedeutet, dass die Bildschärfe zum Rand hin gleichbleibend gut ist.
Allerdings würde in diesem Fall ein großer Teil des Bildkreises nicht genutzt werden, was einer Geldverschwendung gleich kommt. Denn egal, wie groß das Objektiv ist, die Größe der Abbildung richtet sich nach der Sensorgröße. Je größer ein Objektiv, desto teurer wird es. Bei einem kleineren Sensor bietet sich also – vor allem aus Kostengründen – ein kleineres Objektiv an.
Fazit: Der Bildkreisdurchmesser muss der Sensorgröße entsprechen oder größer sein!
2. Auflösung und Pixelgröße
Ein hochauflösendes Bild kann nur entstehen, wenn Sie auch ein hochauflösendes Objektiv verwenden.
Um ein wirklich gut auflösendes Bild zu erhalten, bedarf es mehr als einer hohen Anzahl an Megapixeln. Das Objektiv muss auch in der Lage sein, die Pixelgröße aufzulösen. Die Auflösung eines Objektivs wird in Linienpaaren pro Millimeter angegeben und gibt an, wie viele Linien auf einem Millimeter noch als getrennt voneinander wahrgenommen werden. Je mehr Linienpaare differenziert zu erkennen sind, desto besser ist die Auflösung des Objektivs.
Mit der MTF-Kurve (Modulationstransferfunktion) wird das Auflösungsvermögen eines Objektivs von der Bildmitte bis zum Rand beschrieben. Diese Kurven können Sie beim Hersteller anfragen. Ausgangspunkt für die Berechnung der MTF-Kurve ist ein Testchart mit schwarz-weißen Balken, deren Strukturen immer feiner werden, so dass sich die maximale Auflösung in lp/mm ablesen lässt.
Mit Hilfe der Objektivauflösung lässt sich bestimmen, wie groß die Pixel sein dürfen, um sie noch auflösen zu können. Oft sind bei den Objektiven aber auch die noch auflösbaren Megapixel direkt angegeben.
Angenommen wir haben einen Sensor mit 5 Megapixeln Auflösung, also mit 5 Millionen Bildpunkten. Um von der vollen Auflösung profitieren zu können, brauchen wir ein Objektiv, das 5 MP in voller Anzahl auflösen kann.
Fazit: Die Auflösung des Objektivs muss zur Pixelgröße des Sensors passen.
Exkurs: Megapixel
Viele Hersteller von Consumer Kameras oder Smartphones werben mit der besonders hohen Megapixel-Anzahl ihrer Geräte. Dem Verbraucher soll suggeriert werden, dass mehr Megapixel gleichzeitig mehr Auflösung bedeuten und somit das beste Bild entsteht. Doch die höchste Megapixel-Anzahl nützt Ihnen nichts, wenn Ihr Objektiv nicht darauf abgestimmt ist. Da gute Optiken teuer sind, sparen viele Hersteller gerade hier an den Kosten. Nehmen wir als Beispiel ein Smartphone, dessen Kamera eine Auflösung von 20 MP besitzen soll. Wenn die Linse dieses Smartphones bereits ein unscharfes Bild liefert, wird ein Sensor mit einer so hohen Pixelanzahl diese Unschärfe nur vergrößern.
Eine Kompaktkamera mit 5 MP Auflösung und einem hochwertigen Objektiv kann dagegen deutlich schärfere Bilder liefern – trotz der vermeintlich schlechteren Auflösung.
In der industriellen Bildverarbeitung werden in der Regel Sensoren mit Auflösungen zwischen VGA (0,3 MP) und 5 MP angeboten. Höhere Auflösungen wären hier – zumindest bei C-Mount-Kameras – wenig sinnvoll, da die einzelnen Pixel viel zu klein sind und das Rauschen viel zu hoch wäre, um anspruchsvolle Mess- und Inspektionsaufgaben ausführen zu können.
3. Zusammenspiel Brennweite & Sensorgröße
Als Brennweite bezeichnen wir den Abstand zwischen dem optischen Mittelpunkt eines Objektivs und dem Brennpunkt. Im Brennpunkt schneiden sich alle Lichtstrahlen der parallel einfallenden Lichtstrahlen. Die Brennweite f eines Objektivs ist somit abhängig von der Brechkraft der Linsen und wird in Millimetern angegeben.
Je größer die Brennweite, desto größere Tele-Eigenschaften hat das Objektiv. Die riesigen Objektive, die wir vielleicht von Sportfotografen oder Paparazzi kennen, haben also deutlich größere Brennweiten, als die Objektive an Consumer-Kameras. Weitwinkel- und Fisheye-Objektive haben dementsprechend geringere Brennweiten.
Die Brennweite wird durch die Sensorbreite, die Objektbreite und den Arbeitsabstand bestimmt. Die meisten Objektivanbieter bieten auf ihren Webseiten Rechenprogramme an, mit denen Sie die Brennweite berechnen können.
Beispielbilder für verschiedene Brennweiten
Fazit: Die Brennweite muss zur Sensorgröße und zum Anwendungsaufbau passen.
4. Blende & Lichtverhältnisse
Die Wahl der Blendenöffnung hat direkten Einfluss auf die Bildqualität und die Helligkeit. Die Blendenzahl (engl. F-number) ist das Verhältnis von Brennweite zu Durchmesser der Blendenöffnung und gibt an, wie weit die Blende geöffnet ist.
Eine hohe Blendenzahl bedeutet, dass die Blendenöffnung geringer ist und dadurch weniger Licht durch das Objektiv kommt. Wenn die Blende weit geöffnet ist, fällt mehr Licht auf den Sensor und Sie brauchen weniger zusätzliches Licht, um ein gutes Bild zu erhalten.
Bei schlechten Lichtverhältnissen ist also eine weit geöffnete Blende vorteilhaft.
Eine kleinere Blendenöffnung kann sowohl Vor- als auch Nachteile haben: Unerwünschte Effekte wie Vignettierung und andere Abbildungsfehler werden reduziert und die Schärfentiefe wird erhöht. Allerdings sollten Sie hier beachten, dass man auch zu viel abblenden kann. Durch eine zu geringe Blendenöffnung entsteht Beugungsunschärfe. Dabei werden die einfallenden Lichtstrahlen am Rand der Blende abgelenkt, was sich wiederum negativ auf die Bildqualität auswirkt.
Daher gibt es für jedes Objektiv eine optimale Blendenzahl, die im Prinzip nichts anderes ist als der Kompromiss aus geringster Beugungsunschärfe und größter Schärfentiefe.
Fazit: Die Blende muss zu den Lichtverhältnissen in Ihrer Applikation passen.
Checkliste
Wenn Sie alle vorangegangenen Punkte verinnerlicht haben, sollten Sie sich folgende Fragen stellen:
Objektivanschluss: Hat Ihr Objektiv den gleichen Anschluss wie Ihre Kamera, also beispielsweise C-Mount?
Auflösung: Sind die Sensorauflösung und die Objektivauflösung aufeinander abgestimmt?
Brennweite: Ist die Brennweite auf die Sensorgröße und die Applikation abgestimmt?
Bildkreis: Entspricht der Bildkreisdurchmesser mindestens der Sensorgröße?
Blende: Passt die Blende zu den in Ihrer Anwendung vorherrschenden Lichtverhältnissen?
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