Brennweite telezentrisches Objektiv: Unterschied zum Tele

Was telezentrisch bedeutet

Bei einem normalen Objektiv schauen die Strahlen wie von einem Punkt aus auf das Motiv: Nahe Dinge erscheinen größer, entfernte kleiner. Das ist die gewohnte Perspektive, in der Fachsprache entozentrisch. Bei einem objektseitig telezentrischen Objektiv verlaufen die Hauptstrahlen auf der Objektseite parallel zur Achse. Dadurch ist der Abbildungsmaßstab innerhalb eines gewissen Tiefenbereichs konstant: Ein Bauteil erscheint gleich groß, ob es etwas näher oder etwas weiter entfernt liegt.

Es gibt drei Ausführungen:

• Objektseitig telezentrisch: Der Maßstab bleibt über den Tiefenbereich konstant. Das ist die häufigste Variante in der Messtechnik.
• Bildseitig telezentrisch: Die Strahlen treffen senkrecht auf den Sensor. Das verringert Abschattung und Helligkeitsabfall, wie sie bei sehr schräg einfallenden Strahlen entstehen.
• Beidseitig (bi-telezentrisch): Beides zugleich. Der Maßstab bleibt auch dann stabil, wenn sich Sensorabstand oder Fokus leicht ändern.

Die Konsequenz für die Optik: Die Frontlinse muss mindestens so groß sein wie das Objektfeld. Telezentrische Objektive sind daher groß und schwer, besonders für große Objektfelder. Das ist einer der Gründe, warum sie nur für kleine bis mittlere Objekte gebaut werden.

Brennweite und Abbildungsmaßstab bei telezentrischen Objektiven

Bei einem Fotoobjektiv gibt die Brennweite an, wie groß ein Motiv in einem bestimmten Abstand abgebildet wird. Bei telezentrischen Objektiven ist das anders: Der Abbildungsmaßstab ist als feste Größe ausgelegt, der Arbeitsabstand ist ebenfalls fest. Hersteller geben deshalb Maßstab, Objektfeld, Arbeitsabstand und Schärfentiefe an. Die Brennweite ist eine abgeleitete Konstruktionsgröße und für die Auswahl meist zweitrangig.

Der Maßstab ist das Verhältnis von Bildgröße auf dem Sensor zur wirklichen Objektgröße. Daraus ergibt sich das Objektfeld: Objektfeld = Sensorgröße / Abbildungsmaßstab. Ein Beispiel: Misst die Sensorbreite 8 mm und beträgt der Maßstab 0,5, so deckt das Objektiv ein Objektfeld von 16 mm Breite ab. Bei Maßstab 1,0 sind Objektfeld und Sensor gleich groß.

Unterschiede zwischen verschiedenen Brennweiten bei telezentrischen Objektiven zeigen sich daher im Maßstab und im Arbeitsabstand. Ein größerer Arbeitsabstand erleichtert den Bau von Beleuchtung und Halterung, verlangt aber meist eine aufwendigere und längere Optik. Wie viel Abstand ein Objektiv bei welchem Maßstab bietet, steht in den Herstellerdaten.

Telezentrisches und gewöhnliches Objektiv im Vergleich

Schärfentiefe und Blende

Die Schärfentiefe hängt auch bei telezentrischen Objektiven von der Blende ab: Eine kleinere Öffnung vergrößert sie. Zugleich wächst die Beugung, die Details verwischt. Beim Messen ist deshalb ein Kompromiss nötig. Die Herstellerangaben nennen die nutzbare Blende und den Bereich, in dem die Messgenauigkeit gewährleistet ist.

Die oft zu lesende Aussage, längere Brennweiten verringerten die Schärfentiefe, gilt für ein Fotoobjektiv bei gleichem Abstand. Bei einem telezentrischen Objektiv mit festem Maßstab bestimmen vor allem Maßstab und Blendenzahl die Schärfentiefe. Eine hohe Telezentrie hilft hier nicht, die Schärfe selbst zu verbessern. Sie sorgt nur dafür, dass der Maßstab in der Tiefe konstant bleibt, solange das Objekt im Schärfebereich liegt.

Wo telezentrische Objektive eingesetzt werden

• Vermessung von Bauteilen: Kanten, Bohrungen und Abstände lassen sich ohne perspektivische Fehler messen, auch wenn das Teil leicht in der Höhe schwankt.
• Elektronikfertigung: Leiterplatten und kleine Bauteile werden auf Lage und Maß geprüft.
• Zylindrische und runde Teile: Durchmesser von Wellen, Stiften oder Flaschen lassen sich im Durchlicht bestimmen.
• Automatisierung: Kameras in Robotersystemen erfassen die Position von Teilen, wo eine konstante Größe im Bild die Auswertung vereinfacht.
• Beleuchtung: Häufig kombiniert mit telezentrischem Durchlicht oder koaxialem Licht, damit Kanten klar erscheinen.

Diese Anwendungen hängen von der Software und der Beleuchtung ebenso ab wie vom Objektiv. Ein telezentrisches Objektiv allein ist kein Messgerät, es ist ein Bestandteil eines kalibrierten Systems.

Auswahl nach Anforderungen der Aufgabe

Bei der Auswahl gehen Sie von der Aufgabe aus, nicht von der Brennweite:

1. Objektfeld festlegen: Wie groß ist der Bereich, der erfasst werden soll, einschließlich Toleranz für die Lage des Teils?
2. Sensorgröße prüfen: Aus Objektfeld und Sensor ergibt sich der nötige Maßstab. Das Objektiv muss den Bildkreis des Sensors abdecken.
3. Auflösung bestimmen: Welche kleinste Struktur oder Messabweichung ist verlangt? Daraus folgt, wie fein die Optik und wie groß die Pixelzahl sein müssen.
4. Arbeitsabstand planen: Er bestimmt, wie viel Platz für Beleuchtung und Halterung bleibt.
5. Schärfebereich und Blende abstimmen: Der gewünschte Tiefenbereich und die erlaubte Beugung bestimmen die Blende.
6. Anschluss klären: Industrieobjektive nutzen oft eigene Gewinde- oder Bajonettanschlüsse. Die Kompatibilität mit der Kamera sagt der Hersteller.

Kalibrierung und Messfehler

Die Genauigkeit einer Messung hängt weniger von der Brennweite als vom gesamten Aufbau ab. Typische Fehlerquellen sind:

• Fehlende oder alte Kalibrierung: Der tatsächliche Maßstab muss mit einem Referenznormal bestimmt werden, nicht aus Datenblattwerten.
• Restneigung der Strahlen: Kein Objektiv ist perfekt telezentrisch. Der Telezentriefehler beschreibt die Abweichung in Grad und sollte zur geforderten Messgenauigkeit passen.
• Temperatur und Vibration: Beide verändern Abstände und Halterungen.
• Beleuchtung: Ungleichmäßiges Licht verschiebt Kantenlagen, Reflexe stören die Auswertung.
• Verkipptes Objekt oder Kamera: Schon geringe Schräglage verfälscht Maße, auch bei telezentrischer Optik.

Was das für Fotografen heißt

Für die Fotografie mit Systemkameras spielt die Telezentrie nur indirekt eine Rolle. Bildseitig strebt man bei Kameraobjektiven eine möglichst senkrechte Strahlführung auf den Sensor an, weil sehr schräg einfallende Strahlen am Bildrand zu Abschattung führen. Objektseitig ist die Perspektive bei Fotos erwünscht, sie vermittelt Tiefe.

Für das Abbilden kleiner Produkte, etwa Schmuck oder Werkstücke, genügen in der Regel Makroobjektive. Echte telezentrische Optik lohnt sich erst, wenn Maße aus dem Bild abgelesen werden sollen. Für die Wahl eines Teleobjektivs bleiben Brennweite, Lichtstärke, Stabilisierung und Bajonett die entscheidenden Kriterien.

Kurz gesagt

• Tele und telezentrisch sind verschiedene Begriffe: Tele meint lange Brennweite, telezentrisch den parallelen Strahlengang.
• Telezentrische Objektive halten den Abbildungsmaßstab im Tiefenbereich konstant und eignen sich zum Messen.
• Maßstab, Objektfeld und Arbeitsabstand sind die Auswahlkriterien, die Brennweite folgt daraus.
• Für Tier-, Sport- und Mondfotografie gehören klassische Teleobjektive in die engere Wahl.