optimales zusammenspiel von kamera und...
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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
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 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.
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
Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik
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Optimales Zusammenspiel von Kamera und Optik
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.