Hot & Cold
Temperatureinfluss auf die Abbildungsleistung von Objektiven
Die Bildverarbeitung erreicht zunehmend neue Anwendungsfelder abseits der industriellen Automation, z.B. im Agrarbereich oder beim autonomen Fahren. Doch auch in Fabrikumgebungen mehren sich anspruchsvolle Anwendungsfälle, in denen der Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Bildqualität nicht länger vernachlässigt werden kann. In diesem Artikel soll das Zusammenspiel von Objektiven mit wechselnden Temperaturen näher betrachtet werden.
Bild 1 | Veränderte Umgebungstemperaturen können Einfluss auf das Abbildungsverhalten von Objektiven haben. Um dies zu vermeiden, hat Edmund Optics jetzt athermische Objektive entwickelt, die stabile Ergebnisse bei unterschiedlichen Temperaturen liefern.
Bild 1 | Veränderte Umgebungstemperaturen können Einfluss auf das Abbildungsverhalten von Objektiven haben. Um dies zu vermeiden, hat Edmund Optics jetzt athermische Objektive entwickelt, die stabile Ergebnisse bei unterschiedlichen Temperaturen liefern.Bild: ©Peteri/www.shutterstock.com / Edmund Optics GmbH

Sucht man in Datenblättern von Objektiven nach Angaben zum spezifizierten Temperaturbereich, so wird man feststellen, dass in einigen Fällen hierzu überhaupt keine bzw. nur Angaben zu einer Lagertemperatur gemacht werden. Darüber hinaus findet man bei einigen Objektiven Informationen zur Betriebstemperatur. Meist beziehen sich diese Informationen allerdings rein auf den Temperaturbereich, in dem das Objektiv nicht beschädigt wird. Ein quantitatives Maß, inwieweit sich die Bildqualität mit variierender Temperatur ändert findet sich kaum, obwohl gerade dies für viele Anwendungen entscheidend ist. Wie kommt das?

Bild 2 | Bei steigender Temperatur dehnt sich in der Regel die Metallfassung stärker aus als die optischen Gläser. Als Resultat können Verkippungen (Abb. A und B) und Dezentrierungen (Abb. C und D) einzelner Optiken oder auch optischer Baugruppen auftreten.
Bild 2 | Bei steigender Temperatur dehnt sich in der Regel die Metallfassung stärker aus als die optischen Gläser. Als Resultat können Verkippungen (Abb. A und B) und Dezentrierungen (Abb. C und D) einzelner Optiken oder auch optischer Baugruppen auftreten.Bild: Edmund Optics GmbH

Warum sind Objektive temperaturabhängig?

Auf der Suche nach einer Antwort hilft es, sich zunächst klarzumachen welche Aspekte eines Objektivs von der Temperatur abhängig sind. Ein Objektiv für die industrielle Bildverarbeitung besteht meist aus mehreren Linsen, gefertigt aus optischem Glas. Der erste Effekt, den man daher in Betracht ziehen muss, ist dass sich der Brechungsindex mit der Temperatur verändert. In welchem Maß dies geschieht, hängt von der verwendeten Glassorte ab. Der zweite Effekt steht mit der Ausdehnung des Glases mit höheren Temperaturen in Zusammenhang. Hier ändern sich Durchmesser, Dicke und insbesondere die Radien der einzelnen Linsen mit der Temperatur, wodurch sich auch die Brennweite jeder einzelnen Optik ändert. Besonders kritisch ist dieser Umstand für Achromate und Tripletts, sprich bei zwei oder drei zusammengekitteten Linsen. Wenn sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verbundenen Linsen zu stark unterscheiden, können die durch den Temperaturunterschied hervorgerufenen Spannungen nicht nur zu einer verminderten Abbildungsqualität, sondern sogar zum Bruch der Optiken führen.

Auch Metall dehnt sich mit steigender Temperatur zunehmend aus, in der Regel stärker als Glas. Dies führt zu einer Reihe von potentiellen Problemen bezüglich der Ausrichtung der Optiken (Bild 2). So kann sich eine einzelne Optik oder auch eine Gruppe von Optiken durch den Temperatureinfluss relativ zur optischen Achse verkippen (Bild 2a/b). Ebenso kann es zur Dezentrierung von Optiken oder ganzen Baugruppen kommen (Bild 2c/d), wenn sich die Fassung bedingt durch eine höhere Temperatur ausdehnt. Auch der Abstand zwischen einzelnen Optiken kann sich je nach Fassungslage ändern. Alle Effekte, ob Verkippung, Dezentrierung oder Abstandsänderungen, führen zu einer Reduktion der Bildqualität. Aber auch niedrigere Temperaturen führen im Zusammenspiel von Metall und Optik zu Problemen. Ähnlich wie schon bei den Achromaten beschrieben führt das stärkere Zusammenziehen der Metallteile zu höherem Druck auf die Optiken. Auch hier ist es möglich, dass Optiken dem Druck nicht gewachsen sind und es zu Abplatzungen am Rand oder sogar zum Zerspringen der gesamten Optik kommt. Letztlich sei noch darauf hingewiesen, dass nicht nur der absolute Wert der Temperatur eine Rolle spielt, sondern auch wie schnell sich die Temperatur ändert. Es gibt einige optische Gläser, die sehr empfindlich sind und bei zu großen Temperaturgradienten zerspringen. Zusammengefasst lässt sich feststellen, dass sich mit der Temperatur nahezu jeder einzelne Parameter des Optikdesigns ändert.

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