Optimale
Abbildungs-
eigenschaften
Nachträglicher Einbau von Flüssiglinsen in Objektive
Eine Möglichkeit Flüssiglinsen (Siehe inVISION 4/2014, Seite 52) in die Optik von Bildverarbeitungssystemen zu integrieren, besteht darin, bereits vorhandene Objektive mit Festbrennweite nachzurüsten. Im Gegensatz zu einem Objektiv mit fest integrierter Flüssiglinse kann das Nachrüsten ein wenig Experimentierfreude erfordern, um die beste Konfiguration zu ermitteln. Dennoch ist es eine praktikable Lösung, die die Flexibilität dieses Designansatzes verdeutlicht. Um eine optimale Bildqualität zu erreichen, müssen mehrere unterschiedliche Dinge berücksichtigt werden. Dazu gehören die Platzierung der Flüssiglinse und die Brennweite des Objektivs.
Bei der Nachrüstung eines handelsüblichen Objektivs kann die Flüssiglinse an nur zwei Stellen eingebaut werden, entweder vor dem Objektiv (nahe am Objekt) oder hinter dem Objektiv (nahe am Sensor). Die heute erhältlichen Flüssiglinsen unterliegen gewissen Einschränkungen hinsichtlich ihres Durchmessers. Die freie Apertur elektrisch fokussierbarer Linsen liegt momentan bei höchstens 10mm. Dies ist völlig ausreichend, wenn die Flüssiglinse vor Mikrovideolinsen (M12-Objektive) platziert wird. Doch bei den meisten industriellen Bildverarbeitungsobjektiven ist der Durchmesser der Frontlinse größer als 10mm, wodurch es zu Vignettierung, dem Blockieren von Strahlen durch das optische System, kommen kann. Da die hinterste Linse des Objektivs häufig kleiner ist als die Frontlinse, kann der Eindruck entstehen, dass die Flüssiglinse besser hinter dem Objektiv platziert werden sollte. Allerdings ist dies meistens nicht der Fall. Die Platzierung zwischen Objektiv und Kamera verändert das Auflagemaß, wodurch das System eventuell nicht mehr fokussiert werden kann. Wenn die hintere Brennweite bedeutend größer ist als der durch die Flüssiglinse eingeführte Abstand zwischen Kamera und Objektiv, können jedoch großartige Ergebnisse ohne Vignettierung erzielt werden. Bei dieser Konfiguration funktioniert die Flüssiglinse wie ein Abstandsring, der die Fokusebene näher an die Kamera heranführt. Ein 25mm-Objektiv liefert die besten Ergebnisse, wenn sich die Flüssiglinse vor dem Objektiv befindet, während ein Vergrößerungsobjektiv am besten funktioniert, wenn sich die Flüssiglinse hinter dem Objektiv befindet. Wird die Flüssiglinse vor einem Objektiv platziert, müssen zwei weitere Elemente beachtet werden: der Bildwinkel und die Blendenzahl. Der Bildwinkel eines Objektivs wird sowohl durch die Brennweite des Objektivs als auch durch die Sensorgröße der Kamera bestimmt. Dabei wird von einem geringen Verzeichnungsgrad ausgegangen. Je größer die Brennweite des Objektivs und je kleiner der Sensor, desto kleiner der Bildwinkel. Objektive mit einer größeren Brennweite sind vorteilhafter, wenn sie mit Flüssiglinsen verwendet werden, einerseits da sie aufgrund ihres kleineren Bildfeldes mehr Lichtstrahlen unvignettiert durch das Objektivsystem lassen, und andererseits aufgrund der hyperfokalen Distanz.
Hyperfokale Distanz
Für alle Objektive mit Festbrennweite lässt sich eine hyperfokale Distanz berechnen, wenn das Objektiv auf eine unendliche Entfernung fokussiert ist. Die hyperfokale Distanz eines Objektivs entspricht der nächstliegenden Fokusebene, ab der alle weiter entfernten Objekte ein bestimmtes Schärfekriterium erfüllen. Dieses entspricht im Allgemeinen einer Auflösung und einem Kontrastwert, die für die spezifische Anwendung, bei der das Objektiv zum Einsatz kommt, wichtig sind. Wird ein Objektiv auf die hyperfokale Distanz fokussiert, erstreckt sich die Schärfentiefe von jener Fokusebene bis zu unendlichem Abstand vom Objektiv. Bei rein paraxialer Betrachtung reicht der Schärfentiefebereich bis auf den halben hyperfokalen Abstand an das Objektiv heran. Vergleicht man die hyperfokale Distanz zweier Objektive mit unterschiedlicher Brennweite, zeigt sich, dass der minimale Arbeitsabstand, bei dem die Hyperfokal-Bedingung erfüllt ist, für das Objektiv mit der kürzeren Brennweite geringer ist. Infolgedessen ist der Nutzen von Flüssiglinsen bei Objektiven mit kleiner Brennweite wesentlich geringer, da nur in einem schmaleren Abstandsbereich überhaupt nachfokussiert werden muss. Bei Objektiven mit größerer Brennweite hingegen können Objekte bei unterschiedlichsten Arbeitsabständen optimal fokussiert werden, während unwichtige Teile des Bildfeldes nicht fokussiert werden.
Arbeitsbereich optimieren
Das Nachrüsten von Objektiven mit Flüssiglinsen erlaubt zwar die Fokussierung von sehr kurzen bis zu unendlich langen Abständen, allerdings ist es wichtig, den Arbeitsbereich der Flüssiglinsen zu optimieren. Flüssiglinsen können sowohl als Fenster ohne jede Brechkraft fungieren, als auch Brennweiten im Bereich von 50mm oder 20 Dioptrien erreichen. Je kleiner die eingestellte Brennweite der Linse, desto stärker ist die Krümmung, die auf die Membran übertragen wird, um das Licht zu fokussieren. Bei sehr kurzen Brennweiten kann die starke Krümmung dazu führen, dass vermehrt Bildfehler in Form von sphärischer Aberration und Bildfeldwölbung auftreten. Wird ein Objektiv mit Festbrennweite mit einer Flüssiglinse nachgerüstet, sollte im Sinne optimaler Bildqualität darauf geachtet werden, den gewünschten Arbeitsabstand mit der minimal erforderlichen Krümmung der Flüssiglinse zu erreichen. Gleichzeitig wird durch die Minimierung der Krümmung auch der Energieverbrauch der Flüssiglinse reduziert. Das Auftreten chromatischer Aberrationen kann ebenfalls ein Problem darstellen. Glücklicherweise gibt es jedoch Flüssiglinsen mit sehr geringer Dispersion (Abbe-Zahl >100), die mit handelsüblichen Objektiven kombiniert werden können, ohne Farbkorrekturen vornehmen zu müssen. Bild 2 zeigt die Ergebnisse einer Kombination aus einem 25mm-Objektiv und einer Flüssiglinse, die entsprechend optimiert wurde und somit hochauflösende Bilder erzeugt. Zuletzt muss auch die eingestellte Blendenzahl des Objektivs berücksichtigt werden, um die Vignettierung weiter abzuschwächen und die Schärfentiefe noch besser kontrollieren zu können.
