Objektive mit Festbrennweite

Ein Objektiv mit Festbrennweite, auch konventionelles Objektiv oder entozentrisches Objektiv genannt, ist ein Objektiv mit einem festen Bildwinkel (Angular Field of View, AFOV). Durch Fokussierung des Objektivs auf verschiedene Arbeitsabstände können unterschiedlich große Bildfelder (Field of View, FOV) erreicht werden, obwohl der Beobachtungswinkel konstant bleibt. Ein fester Bildwinkel wird normalerweise als Gesamtwinkel (in Grad) für die horizontale Abmessung (Breite) des Sensors angegeben, mit dem das Objektiv verwendet werden soll.

Hinweis: Objektive mit Festbrennweite dürfen nicht mit Fixfokusobjektiven verwechselt werden. Objektive mit Festbrennweite können für verschiedene Arbeitsabstände fokussiert werden. Demgegenüber sind Fixfokusobjektive für einen bestimmten einzigen Arbeitsabstand ausgelegt. Beispiele für Fixfokusobjektive sind viele telezentrische Objektive und Mikroskopobjektive.

Die Brennweite eines Objektivs definiert den Bildwinkel. Bei einer bestimmten Sensorgröße gilt: Je kürzer die Brennweite, desto breiter ist der Bildwinkel des Objektivs. Je kürzer die Brennweite des Objektivs, desto kürzer ist zudem der erforderliche Abstand, der benötigt wird, um das gleiche Bildfeld im Vergleich zu einem Objektiv mit größerer Brennweite zu erhalten. Bei einer einfachen, dünnen konvexen Linse ist die Brennweite der Abstand von der Linsenrückseite bis zur Bildebene eines Objekts, das unendlich weit vor der Linse platziert ist. Ausgehend von dieser Definition kann gezeigt werden, dass der Bildwinkel eines Objektivs von der Brennweite abhängt (Gleichung 1). Dabei ist f die Brennweite in Millimeter und h die horizontale Abmessung des Sensors in Millimeter (Abbildung 1).

Die Brennweite wird im Allgemeinen jedoch ausgehend von der hinteren Hauptebene des Objektivs gemessen, die sich in der Regel nicht auf der mechanischen Rückseite eines Bildverarbeitungsobjektivs befindet. Dies ist einer der Gründe dafür, dass Arbeitsabstände, die mit paraxialen Gleichungen berechnet wurden, lediglich Näherungen sind, sodass die mechanische Auslegung eines Systems nur mit Daten einer Computersimulation oder mit Daten in Objektivspezifikationstabellen erfolgen sollte. Paraxiale Berechnungen, z. B. mit Objektivrechnern, sind ein guter Ausgangspunkt, um die Objektivauswahl zu beschleunigen. Die erhaltenen numerischen Werte sind jedoch mit Vorsicht zu genießen.

Bei Verwendung von Objektiven mit Festbrennweite gibt es drei Möglichkeiten, um das Bildfeld des Systems (Kamera und Objektiv) zu ändern. Die erste und meistens einfachste Möglichkeit besteht darin, den Arbeitsabstand vom Objektiv zum Objekt zu ändern. Das Bildfeld wird größer, wenn das Objektiv weiter von der Objektebene weggeschoben wird. Die zweite Möglichkeit besteht darin, das verwendete Objektiv durch ein Objektiv mit einer anderen Brennweite auszutauschen. Die dritte Möglichkeit besteht darin, die Größe des verwendeten Sensors zu ändern. Ein größerer Sensor ergibt gemäß Gleichung 1 bei gleichem Arbeitsabstand ein größeres Bildfeld.

Obwohl ein sehr weiter Bildwinkel oftmals sehr praktisch ist, müssen einige Nachteile beachtet werden. Erstens kann der Grad der Verzeichnung bei einigen Objektiven mit kurzer Brennweite den tatsächlichen Bildwinkel erheblich beeinflussen und durch das uneinheitliche Ausmaß der Verzeichnung können bei unterschiedlichen Arbeitsabständen Schwankungen im Winkel auftreten. Darüber hinaus können Objektive mit kurzer Brennweite im Allgemeinen nur schwer die Leistung von Objektiven mit größeren Brennweiten erreichen (siehe bewährte Praktik #3). Außerdem kann es bei Objektiven mit kurzer Brennweite schwierig sein, mittlere bis große Sensorgrößen abzudecken (siehe Relative Beleuchtung, Randabfall und Vignettierung).

Eine andere Möglichkeit zum Ändern des Bildfelds eines Systems besteht darin, ein Objektiv mit variabler Brennweite oder ein Zoomobjektiv zu verwenden. Derartige Objektive ermöglichen eine Änderung der Brennweite und somit eine Änderung des Bildwinkels. Objektive mit variabler Brennweite oder Zoomobjektive weisen jedoch Nachteile hinsichtlich Größe und Kosten im Vergleich zu Objektiven mit Festbrennweite auf und bieten oftmals nicht die gleiche Leistung wie Objektive mit Festbrennweite.

Bestimmen der Brennweite über Arbeitsabstand und Bildfeld

In vielen Anwendungen sind der erforderliche Abstand von einem Objekt und das gewünschte Bildfeld (normalerweise die Größe des Objekts mit einem zusätzlichen Puffer) bekannte Größen. Mit diesen Informationen kann der erforderliche Bildwinkel direkt über die Formeln von Gleichung 2 ermittelt werden. Dabei ist WD der Arbeitsabstand und AFOV der Bildwinkel. Gleichung 2 entspricht der Ermittlung des Scheitelwinkels eines Dreiecks, dessen Höhe der Arbeitsabstand und dessen Grundlinie das horizontale Bildfeld ist (siehe Abbildung 2). Hinweis: In der Praxis befindet sich der Scheitelpunkt dieses Dreiecks in der Regel nicht an der mechanischen Vorderseite des Objektivs, von dem aus der Arbeitsabstand gemessen wird. Er sollte daher nur als Näherung verwendet werden, wenn die Position der Eintrittspupille nicht bekannt ist.

Nachdem der erforderliche Bildwinkel bestimmt wurde, kann die Brennweite näherungsweise mit Gleichung 1 berechnet werden. Anschließend kann das geeignete Objektiv aus Objektivspezifikationstabellen oder Datenblättern ausgewählt werden, indem die nächstgelegene verfügbare Brennweite ermittelt wird, die den erforderlichen Bildwinkel für den verwendeten Sensor bietet.

Mit dem errechneten Wert von 14,25° aus Beispiel 1 kann das erforderliche Objektiv bestimmt werden. Allerdings muss auch die Sensorgröße berücksichtigt werden. Mit abnehmender oder zunehmender Sensorgröße ändert sich der genutzte Bildanteil des Objektivs, sodass sich der Bildwinkel des Systems und damit das Gesamtbildfeld ändern. Je größer der Sensor ist, desto größer ist der erreichbare Bildwinkel für die gleiche Brennweite. Beispielsweise kann ein 25-mm-Objektiv mit einem ½"-Sensor (6,4 mm horizontal) und ein 35-mm-Objektiv mit einem 2/3”-Sensor (8,8 mm horizontal) verwendet werden, um annähernd einen Bildwinkel von 14,5° auf dem jeweiligen Sensor zu erzeugen.

Falls der Sensor bereits ausgewählt wurde, kann die Brennweite alternativ direkt aus Bildfeld und Arbeitsabstand bestimmt werden, indem Gleichung 1 in Gleichung 2 eingesetzt wird (Gleichung 3). Dabei ist h die horizontale Sensorabmessung (Anzahl der horizontalen Pixel multipliziert mit der Pixelgröße) in Millimeter und f die Brennweite des Objektivs in Millimeter (Bildfeld und Arbeitsabstand müssen im gleichen Einheitensystem gemessen werden). Wie bereits erwähnt, sollte eine gewisse Flexibilität beim Arbeitsabstand des Systems eingeplant werden, da die obigen Beispiele nur erste Näherungen sind und keine Verzeichnung berücksichtigen.

Berechnung des Bildfelds bei Verwendung eines Objektivs mit fester Vergrößerung

Objektive mit fester Vergrößerung weisen im Allgemeinen feste oder begrenzte Arbeitsabstandsbereiche auf. Während es bei der Verwendung eines telezentrischen Objektivs oder eines Objektivs mit fester Vergrößerung mehr Einschränkungen geben kann, da durch Änderung des Arbeitsabstands keine Änderung des Bildfelds möglich ist, sind die entsprechenden Berechnungen sehr geradlinig (siehe Gleichung 4).

Da das gewünschte Bildfeld und der Sensor oftmals bekannt sind, kann die Objektivauswahl durch Umbildung von Gleichung 4 in Gleichung 5 vereinfacht werden.

Wenn die erforderliche Vergrößerung bereits bekannt und der Arbeitsabstand eingeschränkt ist, kann Gleichung 3 (durch Ersetzen von h/FOV durch die Vergrößerung) umgeordnet und zum Bestimmen eines geeigneten Objektivs mit Festbrennweite verwendet werden (Gleichung 6).

Beachten Sie, dass Gleichung 6 eine Näherung ist und für Vergrößerungen größer als 0,1 oder für kurze Arbeitsabstände schnell ungültig wird. Bei Vergrößerungen über 0,1 sollten Objektive mit fester Vergrößerung oder Computersimulationen (z. B. mit Zemax) des entsprechenden Objektivmodells verwendet werden. Aus den gleichen Gründen sollten Rechner im Internet nur zur Referenz verwendet werden. Ziehen Sie im Zweifelsfall eine Objektivspezifikationstabelle zurate.

Hinweis: Der Einfachheit halber wird bei der Erörterung des Bildfelds normalerweise das horizontale Bildfeld verwendet. Allerdings muss das Seitenverhältnis des Sensors (Verhältnis von Breite zur Höhe des Sensors) berücksichtigt werden, damit das ganze Objekt in das Bild passt (Gleichung 7), wenn das Seitenverhältnis ein Bruch ist (z. B. 4:3 = 4/3). Obwohl die meisten Sensoren ein Seitenverhältnis von 4:3 aufweisen, sind 5:4 und 1:1 ebenfalls üblich. Dieser Unterschied beim Seitenverhältnis führt auch zu unterschiedlichen Sensorabmessungen beim gleichen Sensorformat. Alle in diesem Abschnitt verwendeten Gleichungen können auch für ein vertikales Bildfeld verwendet werden, wenn in den Gleichungen die vertikale Abmessung des Sensors für die horizontale Abmessung eingesetzt wird.

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Die neue CFO, Linda Fonner, kommt zu Edmund Optics mit mehr als 30 Jahren globaler Managementerfahrung bei Unternehmen wie Phillips & Cohen Associates, Atotech (eine MKS-Marke), Bristol-Myers Squibb, West Pharmaceutical und Vesuvius, einem Unternehmen der Cookson Group. Im Laufe ihrer Karriere war Fonner im asiatisch-pazifischen Raum, in Australien, im Nahen Osten, in Europa und auf dem amerikanischen Kontinent tätig.

Sie leitete finanzielle und betriebliche Umstrukturierungen in den Bereichen chemische Produktion, Pharmavertrieb, Herstellung medizinischer Geräte und Hochtemperatur-Keramikguss für die Stahl-, Gießerei- und Glasindustrie. Sie verfügt über fundierte Kenntnisse bei der Festlegung von Kooperationsstrategien, langfristiger Planung, Fusionen und Übernahmen, globalen Finanzoperationen und Systemimplementierungen. Lindas internationale Führungsqualitäten erstrecken sich auf die Bereiche Finanzen, Betrieb, IT und Gewinn- und Verlustrechnung in Unternehmen mit einer Größe von 50 Millionen Dollar bis hin zu Fortune 500. Sie verfügt über Erfahrung mit dem Erwerb, der Veräußerung und der Integration von Unternehmen und hat sich erfolgreich in einem komplexen globalen regulatorischen Umfeld bewegt.

„Ich freue mich, bei einem führenden Unternehmen im Bereich der optischen Technologie einzusteigen und mit dem Managementteam zusammenzuarbeiten, um das schnell wachsende Unternehmen weiterzuentwickeln und die komplexen Anforderungen unserer Kunden zu erfüllen", sagt Linda.

„Wir freuen uns, dass wir mit dem neuen Werk in Florida unsere Fertigungsmöglichkeiten und -kapazitäten für Laseroptiken erheblich erweitern können“, erklärt Marisa Edmund, Vorstandsvorsitzende und Chief Marketing & Sales Officer bei Edmund Optics. „Mit mehr als 30 Jahren regionaler Präsenz und weltweiter Expertise in Design, Fertigung und Anwendungen sind wir gut gerüstet, um der Kundennachfrage nach immer hochwertigeren Laseroptiken gerecht zu werden.“

Darüber hinaus erweitert dieses Werk Edmund Optics‘ Laseroptik-Fertigungskapazitäten in den Bereichen Laserkristall- und Glasherstellung, Polieren, Messtechnik, Inspektion und Prüfung und beschäftigt etwa 50 Mitarbeiter, viele davon ausgewiesene Experten in Laseroptik. Unsere Entwicklungs- und Fertigungsingenieure sind spezialisiert auf komplexe Beschichtungen mit hoher Laserzerstörschwelle und auf die Entwicklung von fertigungsgerechten Lösungen.

„Unsere Kunden stehen für uns immer an erster Stelle. Dies zeigt sich jeden Tag, indem wir zuverlässig Laseroptiken herstellen, die den speziellen Kundenspezifikationen und -bedürfnissen entsprechen“, erklärt Dr. Stefaan Vandendriessche, Leiter des Geschäftsbereichs Laseroptik bei Edmund Optics. „Mit diesem neuen Werk können wir innovative Anwendungen durch unsere erweiterten Entwicklungs-, Fertigungs- und Montagekapazitäten noch besser unterstützen.

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Alexis Liagre ist seit 2011 bei Edmund Optics tätig, zuletzt als Senior Sales Manager EMEA (Europa, Naher Osten und Afrika). Er begann seine Karriere als Sales Manager in Frankreich und stärkte erfolgreich Präsenz und Wachstum von Edmund Optics, während er gleichzeitig mit einem größer werdenden Aufgabenbereich das Team aufbaute. Seine langjährige Erfahrung in der Branche sowie sein stets professioneller und vertrauensvoller Umgang mit den Kunden sind nur einige der Gründe, die für die Beförderung von Alexis Liagre sprachen.

„Herr Liagre hat große Führungsqualitäten sowie den Wunsch und die Bereitschaft gezeigt, die Organisation zu leiten, während wir uns weiterentwickeln und eine größere Präsenz in Europa und der EMEA-Region aufbauen“, kommentiert Timothy Paul Kennedy, Vice President of Global Sales. Und er fügt hinzu: „Ich freue mich, dass Helge Vogt seine Aufgaben im Vertrieb an Alexis Liagre weitergeben wird, während er sich entschieden hat, seine berufliche Laufbahn in Vorbereitung auf seinen Ruhestand zu verändern.“

„Ich starte dieses neue Kapitel in meiner Karriere mit großer Begeisterung und Dankbarkeit. Ich fühle mich geehrt, dass ich mit einer solch wichtigen Aufgabe betraut werde und freue mich sehr auf die noch intensivere Zusammenarbeit mit dem Vertriebsteam in ganz Europa mit dem Fokus auf Kundenservice, Liefertreue und Zuverlässigkeit“, sagt Alexis Liagre über seine neue Aufgabe.

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Über LightPath Technologies:

LightPath Technologies Inc. ist ein führender globaler, vertikal integrierter Anbieter von Optik-, Photonik- und Infrarot-Lösungen für Industrie, Handel, Verteidigung, Telekommunikation und Medizintechnik. LightPath entwickelt und fertigt Optiken und IR-Komponenten wie z. B. Asphären und Baugruppen aus gepresstem Glas, kundenspezifische gepresste Freiformlinsen, Infrarotlinsen und Optiken für die thermische Bildgebung, Faserkollimatoren und die auf Chalkogenid basierenden Glaslinsen Black Diamond. LightPath bietet außerdem kundenspezifische Optikbaugruppen und den dazugehörigen Ingenieursupport an. Der Firmenhauptsitz befindet sich in Orlando, Florida, USA. Die Fertigung sowie Vertriebsbüros befinden sich in Lettland und China.

ISP Optics ist eine hundertprozentige Tochtergesellschaft von LightPath und fertigt eine große Auswahl an IR-Produkten wie z. B. hochqualitative MWIR- und LWIR-Linsen und -Baugruppen. Des Weiteren werden bei ISP Optics präzise optische Komponenten wie Fenster, Sphären, Asphären und diffraktive IR-Linsen aus vielen verschiedenen IR-Materialien und Kristallen hergestellt. Die modernen Herstellungsverfahren für die Optiken umfassen die CNC-Politur, das Diamantdrehen, die kontinuierliche und konventionelle Politur, die optische Kontaktierung und fortschrittliche Beschichtungstechnologien.

Die Liste wird vom Redaktionsteam aus Lesernominierungen erstellt und ehrt Personen, die bei Entwicklungen und Fortschritten in der Photonikindustrie in vorderster Reihe stehen. Marisa wird für ihren großen Beitrag nicht nur bei Edmund Optics, sondern in der gesamten Photonikbranche gewürdigt. So ist sie Initiatorin des Stipendiums „Advancing Women in Optics“ an der University of Arizona, fördert verschiedene Frauengruppen in der Optikbranche und setzt sich für weitere Aktivitäten im Bereich Diversity, Equity & Inclusion innerhalb und außerhalb ihrer Firma ein. Marisa ist außerdem die Gründerin des Ausbildungsprogramms bei Edmund Optics, das Schulen und MINT-Veranstaltungen besucht, um Schülern die faszinierende Welt der Optik näherzubringen. Aufgrund dieser Initiativen kann unsere Branche wachsen und vielfältiger und inklusiver werden.

Marisa ist Inhaberin von Edmund Optics in dritter Generation und verfügt über mehr als 25 Jahre Berufserfahrung in der Photonikbranche als globale Führungskraft in den Bereichen Marketing, Vertrieb, Organisationsentwicklung und strategische Planung. Ihre Spezialgebiete sind die globale Kommunikation, das Personalwesen, die Integration übernommener Unternehmen und die Expansion in Wachstumsmärkten.

Die Gemma® Strahlaufweiter mit variabler Vergrößerung 2X – 8X für 1064 nm wurden für Gaußstrahlen entwickelt, erzeugen keine Geisterfokuspunkte und bestehen aus einem Galilei-Aufbau mit nicht drehenden Linsen, um eine hohe Punktgenauigkeit bei sehr kompakter Gehäuselänge von 158 mm zu bieten. Die hohe Transmission wird durch eine Antireflexionsbeschichtung sichergestellt, die für Laserpulse bis 10 J/cm² bei 1064 nm, 10 ns, 20 Hz geeignet ist. Die Gemma® Strahlaufweiter sind aktuell lagernd und bereit für einen sofortigen Versand.

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