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Optische Vergütungen & spektrale Transmission

Wichtig für moderne Bildverarbeitungsobjektive ist eine hohe Lichtdurchlässigkeit. Aufgrund kleiner Kamera-Pixel  wird viel Licht benötigt. Diesem Trend kommen viele C-Mount-Objektive entgegen mit sehr kleinen Blendenzahlen wie f/1,2 oder f/1,4. Wichtig ist jedoch auch eine hohe spektrale Transmission des Objektivs.

 

Optische Vergütungen - Vermeidung von Reflexionen

Bei  der Lichtdurchdringung der Glaslinsen des Objektivs treten Verluste auf: Es entstehen Lichtreflexionen an der Oberfläche, eine Absorption innerhalb des Materials, sowie Reflektionen an der Lichtaustrittsfläche. Der Transmissionsgrad definiert das gesamte aus dem Material austretende Licht, das sich in der Regel aus gerichteten und gestreuten Anteilen zusammensetzt. So beträgt bei normalem Glas der Transmissionsgrad nur 95 Prozent.

Mit Hilfe von hochwertigen optischen Gläsern und Vergütungsschichten kann so die Abschwächung stark vermindert werden. Dazu werden zur Entspiegelung des Glases  im Idealfall mehrere, sehr dünne Schichten von Metallverbindungen aufgedampft. Sie sind mit dem bloßen Auge als grünlich oder rötlich schimmernde Coatings erkennbar. Die Schichtdicke und das Material werden dabei so gewählt, dass sich die Reflexionen, die an den einzelnen Grenzflächen entstehen, gegenseitig überlagern und auslöschen (destruktive Interferenz) und durchgehende Lichtstrahlen sich gegenseitig verstärken.

Prinzip der optischen Entspiegelungsschicht

Da einzelne Interferenzschichten nur für bestimmte Wellenbereiche des Lichts optimal funktionieren, müssen dazu eine Vielzahl solcher Schichten auf hochwertige Gläser im Hochvakuum aufgedampft werden.

Dies erklärt unter anderem die Preisunterschiede zwischen einfachen und hochwertigen Objektiven. Der Lichtverlust von 4-5% an unvergüteten Linsen klingt erst einmal harmlos. Da ein Objektiv aber schnell aus 4-7 Linsen bestehen kann, summieren sich solche Werte stark auf. Dieses dabei entstehende Streulicht ist extrem störend für die Bildverarbeitungsapplikation und verringert stark die Bildkontraste.

 

Spektrale Transmission

Die Lichtdurchlässigkeit der optischen Gläser wird auch als spektrale Transmission bezeichnet. Wie schon zuvor beschrieben, hängt sie von der Absorption und den Reflexionseigenschaften der Gläser und Coatings ab, aber auch ganz besonders von der Wellenlänge des Lichts ab. Normale Bildverarbeitungsobjektive sind vom Lens Design hauptsächlich für den visuell erfassbaren Bereich des Lichts von 400 bis 700nm berechnet und korrigiert.

Für die Inspektion im UV-Bereich kann nicht mehr mit Kron- oder Flintglaslinsen gearbeitet werden. Die Lichtdurchlässigkeit dieser üblichen Glassorten nimmt ab ca. 350nm extrem stark ab, bei rund 310nm beträgt die Transmission weniger als 5 Prozent. Erst die Verwendung von Quarzglaslinsen schafft hier Abhilfe. Hier nimmt die spektrale Transmission erst bei 180nm Wellenlänge stark ab. Allerdings ist die Herstellung von Objektiven mit Quarzglaslinsen technisch aufwändig und sehr teuer, so dass solche Objektive nur im speziellen Anwendungsfall verwendet werden.

Auch für Inspektionen im IR-Bereich sollte  darauf geachtet werden, dass die Optik auch hier eine hohe spektrale Transmission aufweist. Zwar sind die Gläser auch im nahen Infrarot gut durchlässig, allerdings müssen besonders die optischen Vergütungen zur Vermeidung von Streulicht (Entspiegelungsschichten) ebenfalls auf diese Wellenlängen abgestimmt werden. Ohne diese Breitbandentspiegelungen würde der Streulicht-Anteil im IR extrem stark zunehmen.

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