Temperaturanforderungen
In Datenblättern von Objektiven begegnet einem sehr vieles, wenn es um den spezifizierten Temperaturbereich geht. Je nach Hersteller finden sich teilweise keine Angaben oder nur ein Lagertemperaturbereich. Nur in wenigen Fällen gibt es eine Angabe zur Betriebstemperatur, wobei davon auszugehen ist, dass das Objektiv bei einer beliebigen (aber konstanten) Temperatur innerhalb dieses Temperaturbereiches einsetzbar ist. Bezüglich der Änderung der Bildqualität bei sich ändernden Umgebungstemperaturen findet man praktisch keine quantitative Aussage in einem Datenblatt. Genau das ist aber in vielen Anwendungen die eigentliche Anforderung an die Optik (bzw. Visionsystem). Die Beantwortung der Frage, wie sich ein System bei variierender Temperatur verhält, ist jedoch, alleine auf die Optik bezogen, sehr arbeitsintensiv. Verändert sich die Temperatur, hat dies verschiedenste Auswirkungen. Durch die thermische Ausdehnung der Gläser ändert sich die Form der einzelnen Linsen, und damit auch deren Radien und Brennweiten. Auch die materialspezifischen Brechungsindizes hängen von der Temperatur ab, sodass für jedes Objektiv zunächst immer mit einem thermischen Defokus zu rechnen ist. Doch auch die Optomechanik muss betrachtet werden. Wie verhalten sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Gläser relativ zum Fassungsmaterial? Bei sehr niedrigen Temperaturen kann sich eine Metallfassung lateral so stark zusammenziehen, dass eine Optikkomponente aufgrund des hohen Drucks zerstört wird. Umgekehrt können hohe Temperaturen dazu führen, dass die Optik nicht mehr richtig sitzt, und es durch Verkippung oder Dezentrierung zu Verlusten in der Bildqualität kommt. In axialer Richtung kann es zu sich ändernden Abständen zwischen den einzelnen Optikkomponenten bzw. zu einer Änderung der Fokuslage kommen. Allerdings ist es möglich, diese Effekte innerhalb eines definierten Temperaturbereichs durch geschickte Auswahl der verwendeten Gläser, Metalle und Fassungsgeometrien zu minimieren (athermischen Optiken). Jedoch ist der hiermit verbundene Aufwand sehr hoch, und im Rahmen der Entwicklung eines Standardobjektivs ist eine derartige Betrachtung eher unüblich. Auch bei der Entwicklung kundenspezifischer Objektive ist der Temperaturaspekt nicht trivial. Ein detaillierter Austausch zwischen Optikhersteller und Systementwickler ist daher notwendig, denn am Ende zählt nicht nur wie sich das Objektiv und die Kamera getrennt voneinander verhalten, sondern auch wie beide Komponenten zusammen als Gesamtsystem arbeiten. Letztlich muss auch das dazugehörige Testverfahren diskutiert werden. Standardisierte Messsysteme, die beispielsweise die MTF-Performance von Objektiven während eines Temperaturzyklus messen, sind erst seit kurzer Zeit auf dem Markt. Da nicht davon auszugehen ist, dass man jede mögliche Spezifikation im Rahmen von bereits bestehenden Messaufbauten überprüfen kann, sollte man das Thema frühzeitig adressieren, um für potentielle Lücken rechtzeitig mit der Entwicklung einer spezifischen Messtechnik zu beginnen.
2b – Bild: Edmund Optics GmbH 
Bild: Edmund Optics GmbH 
Bild 3 I Das gleiche Optikdesign wie in Bild 2. Diesmal in der spritzwassergeschützten Variante mit O-Ringen und austauschbarem Schutzfenster. – Bild: Edmund Optics GmbH
Vibration und Schock
Auch bei Vibrationen und mechanischen Schocks gilt es zu unterscheiden zwischen Spezifikationen, die sich rein auf das unbeschadete Überstehen gewisser Grenzwerte beziehen, und solchen, die eine gewisse Abbildungsqualität garantieren (z.B. nach mechanischen Schocks). Geht es darum Schäden zu vermeiden, kann durch einfache Anpassungen der Optomechanik schon viel erreicht werden. Empfindliche Irisblenden können durch Festblenden ersetzt werden, und auch der Fokusmechanismus kann stark vereinfacht und robuster gestaltet werden. Dieses Konzept findet sich bei der Ci- und HPi-Serie von Edmund Optics wieder. Neben der zusätzlichen Robustheit spart man zudem noch Gewicht, Bauraum und Kosten ein. Es gibt aber auch Anwendungen mit extremen Umweltbedingungen oder mit sehr hohen Anforderungen an die Präzision, für welche die beschriebene Vorgehensweise nicht ausreichend ist. Für kalibrierte Systeme (3D-Stereokameras…) ist es extrem wichtig, dass auch nach einem mechanischen Schock ein Objektpunkt immer noch auf den gleichen Pixel abgebildet wird. Dank Subpixelinterpolation sind bereits beeindruckend präzise Resultate möglich, jedoch nur, wenn das Messsystem und damit auch die Optik diesen Anforderungen gerecht werden. Hier gibt es verschiedene optomechanische Ansätze. Edmunds Cr und HPr Serie basiert beispielsweise auf der Verklebung der einzelnen Optikelemente, zusätzlich zu den bereits beschriebenen Maßnahmen. Hiermit lässt sich bei Schocks von bis zu 50G eine Pixelverschiebung von www.edmundoptics.de