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OBJEKTIVE PROFESSIONELL ANGEWANDT (Fortsetzung)


7. Spezial-Objektive
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7.1 Telezentrisches (Mess-)Objektiv
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Was heisst "telezentrisch"?  --  Das Wort bedeutet, dass ein Strahlbuendel sein Zentrum (den Schnittpunkt) in unendlicher Ferne hat. Mit anderen Worten, die Strahlen sind parallel. Wie so oft in der Optik, koennen wir dies Ideal nie wirklich erreichen. Deshalb bedeutet "telezentrisch" meist, dass der Winkel der Divergenz (oder Konvergenz) des Buendels sehr klein ist, und dass wir ihn am liebsten zu Null machen wuerden.

Wie kann ein Objektiv "telezentrisch" werden?  --  Tatsaechlich sehr einfach; oder nein: theoretisch sehr einfach. Man stelle eine Punktlichtquelle in den Brennpunkt, und schon tritt ein telezentrisches Buendel aus dem Objektiv aus, siehe Bild 7.1a.

Bild 7.1a: telezentrisches Buendel (7kByte)

Praktisch kann natuerlich keine Lichtquelle die Ausdehnung Null haben und kein Objektiv ideale Buendelungsgenauigkeit; es bleibt also immer etwas Divergenz uebrig.
Und was ich hier beschrieben habe, erinnert mehr an einen Scheinwerfer, als an ein Messobjektiv.

Aber sehen Sie sich mal den umgedrehten Aufbau (Bild 7.1b) an:

Bild 7.1b: Telezentrisches Objektiv (7kByte)

Hier tritt ein telezentrisches Buendel ins Objektiv ein. Es wird in den Brennpunkt konzentriert und entwischt durch eine winzige Oeffnung, genannt "Pinhole" (Deutsch: "Nadelloch"). Der Brennpunkt liegt in dieser Oeffnung. Sie dient als "Raumfilter":
Nur Licht von dem axialen Parallelbuendel wird durchgelassen; alles andere Licht wird weggeblendet.

Je kleiner das Loch, desto besser arbeitet die Raumfilterung. Aber wir duerfen das nicht zu weit treiben. Der objektivabhaengige Unschaerfekreisdurchmesser (siehe Abschn.4.3 und Abschn.4.4) sollte durch die Oeffnung passen. Sonst wird das austretende Strahlbuendel nur zusaetzlich geschwaecht, ohne den Akzeptanzwinkel  --  wie erwuenscht  --  weiter einzuschraenken.

Wofuer kann man so einen eigenartigen Aufbau brauchen?  --  Normalerweise fuer Messzwecke.
Stellen Sie sich einen Gegenstand von fraglicher Groesse vor, wie er das telezentrische Buendel abschattet. Und stellen Sie sich dazu eine genaue Lehre (z.B. CCD-Bildsensor) in der Bildebene vor (Bild 7.1c).

Bild 7.1c: Abbilden mit dem Messobjektiv (9kByte)

Hier hat man sehr gute Schaerfentiefe auf der Gegenstandsseite erreicht.
Man darf den Gegenstand hin- und herschieben, ohne dass man Bildschaerfe verliert. Und, was am allerbesten ist: ohne irgendeinen Einfluss auf die Vergroesserung. Der Gegenstand darf ordentlich raeumliche Tiefe haben. Und all seine Ebenen, obwohl mit verschiedenen Gegenstandsweiten behaftet, werden mit demselben Massstab abgebildet.

Schoen. Aber wenn ich sowieso mit einem telezentrischen Buendel von hinten beleuchte, dann ist doch das Pinhole in der Brennebene nutzlos. Das Buendel ist schon telezentrisch, also was soll's?

Also, einige Merkmale von Gegenstaenden sind im Durchlicht unsichtbar. Denken Sie an Dickenstufen auf einer Metallplatte. Die werden nur im Auflicht sichtbar. Hier blendet das Raumfilter alle schraegen Strahlen aus und sogar Auflichtobjekte koennen telezentrisch abgebildet (und gemessen!) werden.

Und ausserdem ist exakt telezentrische Beleuchtung gar nicht so einfach zu kriegen.

Hier haben wir schon den einen der beiden ernsteren Nachteile von Messobjektiven erwischt: Schraege Strahlen werden ausgeblendet, schoen; aber sie tragen dann auch nicht mehr zur Bildbeleuchtungsstaerke bei. Die Bilder aus Messobjektiven koennen duester sein. Wenn man nicht telezentrisches Durchlicht verwendet.

Um's nicht zu vergessen, haenge ich den zweiten Nachteil gleich an: Alle Strahlen vom Gegenstand zum Objektiv muessen axial verlaufen; wenn also irgendein Gegenstandsmerkmal ueber die Eintrittspupille des Objektivs hinausreicht, dann wird es nicht abgebildet. Messobjektive brauchen also Frontlinsen mit nennenswertem Durchmesser, Gewicht und Preis. Oder sie sind nur fuer kleinere Messobjekte brauchbar.

Aber den grossen Vorteil wollen wir nicht vergessen: So lange man das Pinhole und die Bild-Ebene am richtigen Platz haelt, bleibt der Massstab o.k.; ganz egal, wie falsch die Gegenstandsweite sein mag.   ... Wirklich GANZ egal?  --  Also, wenn Sie ein telezentrisches Objektiv aussuchen, dann fragen Sie nach der Restdivergenz des Buendels. Wenn Sie die kennen und dazu die notwendige Messgenauigkeit, dann koennen Sie leicht die zulaessige "Schaerfentiefe" ausrechnen.

Nun gibt es noch einen letzten Trick mit diesen Messobjektiven: Man kann "beidseits telezentrische" Objektive kaufen. Also noch komplizierter?   --   Keine Sorge; vor allem ist das noch angenehmer zu benutzen.

Schauen Sie bitte nochmal Bild 7.1c an.
Dort kann man fuer den Massstab  m  ablesen:

    m  =  B / G  =  (b - f) / f      fuer telezentrisches Objektiv

Darin ist:
          B = Bildgroesse
              G = Gegenstandsgroesse
                     b = Bildweite
                         f = Brennweite

Das bedeutet: Wenn man nicht die genaue Bildweite b kennt, dann kennt man auch nicht den genauen Massstab fuer die Gegenstands-Groessenmessungen.

Fuer diese Faelle fuegen die Leute ein zweites Objektiv hinter dem Raumfilter an, wie in Bild 7.1d gezeigt.

Bild 7.1d: Abbilden beidseits telezentrisch (13kByte)

Sieht bisschen aus, wie das Keplersche Teleskop ... wenn man das Pinhole wegdenkt. Aber man kann hier beinah beliebige Bildweiten waehlen, und trotzdem bleibt der Massstab  m  der Abbildung:

    m  =  f2 / f1      fuer beiderseits telezentrisches Objektiv

Die Komplettloesung ist kaeuflich: zwei Objektive mit dem richtigen Abstand dazwischen und mit dem Pinhole am Ort der beiden Brennpunkte.
Man bringt den Gegenstand und den Bildsensor irgendwo auf die optische Achse und die Vergroesserung stimmt einfach.

Zusammengefasst in 30 Woertern:
Vorteil: genaue Vergroesserung; Abstandsfehler wirken sich fast nicht aus
Nachteil: a) niedrige Beleuchtungsstaerke im Bild
             und/oder teure Beleuchtung
          b) Frontlinse muss mindestens Gegenstandsdurchmesser haben.



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Letzte Aenderung 25.7.2004 23:18