2.1.3. Gesetzmäßigkeiten optischer Systeme
2.1.3.1. Brennweite, Feldblende, Aperturblende
Im Folgenden werden die für die berührungslose Temperaturmessung verwendeten Objektive und die mit diesen im Zusammenhang stehenden physikalischen Bedingungen und Beschränkungen unter Anwendung der Vereinfachungen aus der geometrischen Optik behandelt.
Im ersten Schritt wird ein gegebener Detektor (mit unveränderlicher Größe) vorausgesetzt, vor dem das Objektiv ausgetauscht wird. Hierbei kann - unter der Voraussetzung der vollständigen Ausnutzung der Detektorfläche - festgestellt werden:
ein Objektiv mit kleiner Brennweite ergibt einen kleinen Abbildungsmaßstab über ein großes Sichtfeld
ein Objektiv mit großer Brennweite ergibt einen großen Abbildungsmaßstab über ein kleines Sichtfeld
Abb. 61: Zusammenhang zwischen Brennweite und Sichtfeld bei gegebenem Detektor
Die Objektive optischer Messsysteme bestehen natürlich (meistens) nicht nur aus einer einzigen Sammellinse. Im Fall von Mehrlinsenstrukturen müssen neben den bisher diskutierten geometrischen Zusammenhängen einige weitere optische Merkmale berücksichtigt werden, die die Fähigkeiten unseres Messgerätes beeinflussen. Vor allem allen Faktoren, die die Größe des Sichtfeldes und die quantitative Menge der auf den Detektor treffenden Strahlung beeinflussen. Es versteht sich, dass der erste Aspekt die Verwendbarkeit des Messsystems, der zweite (von einem Sensor mit einer gegebenen Empfindlichkeit ausgehend) die möglichen Messbereiche sowie das erreichbare Signal-Rausch-Verhältnis (und damit die verfügbare thermische Auflösung) beeinflusst.
Grundsätzlich besitzen alle optischen Geräte (wie auch die Messsysteme) zwei strahlbegrenzende Komponenten: die Gesichtsfeldblende und die Bildfeldblende (Aperturblende). Die wichtigsten Merkmale und Wirkungen dieser beiden optischen Elemente können wie folgt zusammengefasst werden:
Gesichtsfeldblende (Feldblende, Bildrahmen)
| Anordnung: | - im Strahlengang auf Objekt-, Zwischenbild- oder Bildebene |
| Aufgabe: | - begrenzt die Abmessung des abgebildeten Sichtfeldes |
| - gibt der Abbildungen eine scharfe Abgrenzung (Bildrahmen) | |
| Beispiele: | - innerer Bildrahmen, Filmrahmen beim traditionellen Fotoapparat |
| - Detektorfläche bei digitaler Fotografie und in thermografischen Systemen |
Bildfeldblende (Aperturblende, Irisblende)
| Anordnung: | - im Strahlengang, jedoch nicht auf Objekt-, Zwischenbild- oder Bildeben |
| Aufgabe: | - begrenzt die eingehende Strahlungsmenge |
| - hat Auswirkung auf die Auflösung | |
| - beeinflusst die Schärfentiefe | |
| Beispiele: | - Durchmesser bzw. Einfassung der Linse selber |
| - Irisblende beim Fotoapparat | |
| - Messbereichsblende in thermografischen Systemen (wenn vorhanden) |
Abb. 62: Wirkung der Gesichtsfeldblende
Die Gesichtsfeldblende wirkt wie ein Bildrahmen: bei Verkleinerung wird das Sichtfeld (die zur Abbildung gelangende Objektfläche) kleiner, aber Strahlungsintensität und Schärfentiefe ändern sich hierbei nicht.
Abb. 63: Wirkung der Aperturblende
Die Aperturblende (Irisblende) begrenzt die eingehende Strahlungsmenge: mit ihrer Verkleinerung verringert sich die auf den Detektor einfallende Strahlungsintensität und damit auch die Auflösung. Gleichzeitig verbessert sich (erhöht sich) allerdings die Schärfentiefe. Die Größe der detektieren Objektoberfläche bleibt dabei unverändert.
Die Auswirkung der Aperturblende - deren Strahlungsintensität begrenzende Wirkung - wird mittels der Blendenzahl k beschrieben. Deren Definition lautet:
Gl. 62
Legende:
| f’... | abbildungsseitige Brennweite |
| dAB ... | Durchmesser der Aperturblende |
Die Blendenzahl ist demzufolge genau umgekehrt proportional zur Lichtdurchlässigkeit (Strahlungsdurchlässigkeit) - der sogenannten Lichtstärke - des Objektives. Linsen mit großem Aperturdurchmesser (kleiner Blendenzahl) werden üblicherweise auch als schnelle Objektive bezeichnet.
Je kleiner die Blendenzahl ist, desto größer ist offensichtlich der Linsendurchmesser und damit die Strahlungsintensität, welche auf den Sensor übertragen wird. Dies führt natürlich zu größerer Empfindlichkeit und Auflösung. Je größer der Durchmesser der Linse ist, desto mehr weichen jedoch deren optische Eigenschaften vom Modell des idealen optischen Systems - der Gaußschen Optik - ab, was zu Abbildungsfehlern führt (z.B. zu Bildverzerrung).
Die Abhängigkeit zwischen Linsendurchmesser und Schärfentiefe muss ebenfalls erwähnt werden. Die Schärfentiefe gibt den Abstandsbereich (vor und hinter dem Objekt) eines gegebenen Objektabstandes an, von dem noch eine scharfe Abbildung entsteht. Je kleiner die Blendenzahl, desto geringer ist auch die damit verbundene Schärfentiefe. Der nächste Abschnitt befasst sich mit der Definition und messtechnischen Wichtigkeit der Schärfentiefe.
2.1.3.1. Schärfentiefe
Die Schärfentiefe gibt in Abhängigkeit von der Brennweite der Linse und des Aperturdurchmessers die kleinste und größte Objektentfernung an, welche (ohne Änderung der Fokussierung) eine scharfe (genauer: als scharf empfundene) Abbildung der Objektszenerie sichert. Als „scharf” wird bezeichnet, was aus Sicht der humanen Augenauflösung nur marginal „verschwommen” erscheint. Die Auflösung der menschlichen Augen ist endlich (ca. 1500 Bildpunkte bei unverändert steter Sicht auf die Betrachtungsfläche). Auf dieser Grundlage wird in herkömmlichen optischen Systemen als „Unschärfe” eine Verwischung (Zerstreuung) Z von einem Durchmesser kleiner 1/1500 der Bilddiagonalen d akzeptiert. In optischen Systemen, die auf Matrixsensoren mit diskreten Pixeln basieren (genau wie die Thermokameras), wird die Größe eines Einzelpixels des Detektors anstelle des obigen Werts verwendet. (Solange ist die Abbildung „scharf”, bis der Durchmesser der Zerstreuung die Größe eines Einzelpixels erreicht.)
Abb. 64: Schärfentiefe bei hyperfokaler