Objektiv telezentrisch: Grundlagen und Anwendungen

Telezentrisch ist nicht dasselbe wie Tele

Der Begriff klingt nach Teleobjektiv, meint aber etwas anderes. Ein Teleobjektiv zeichnet sich durch lange Brennweite und kleinen Bildwinkel aus; „Tele“ bezeichnet zudem eine Bauweise, bei der die Baulänge kürzer ist als die Brennweite. „Telezentrisch“ beschreibt dagegen den Verlauf der Strahlen an den Pupillen des Objektivs. Über Brennweite oder Vergrößerung sagt das Wort nichts.

Ein Teleobjektiv für Wildlife oder Sport bildet perspektivisch ab: Steht ein Tier näher, wird es größer wiedergegeben. Ein objektseitig telezentrisches Objektiv tut das nicht. Kein gängiges Kameraobjektiv für DSLR oder spiegellose Systemkameras ist in diesem Sinn objektseitig telezentrisch. Wer ein Objektiv für Tierfotos, Sport oder Porträts sucht, braucht diese Bauart nicht.

Berührungspunkte gibt es nur im Prinzip: Mit langer Brennweite und großem Aufnahmeabstand wird die perspektivische Staffelung flacher, ohne dass das Objektiv dadurch telezentrisch würde. Mehr dazu steht im Beitrag über die Kompression durch lange Brennweiten.

Der Strahlengang: objektseitig, bildseitig, beidseitig

Die Strahlen, die durch ein telezentrisches Objektiv treten, können auf zwei Seiten parallel geführt werden: zwischen Objekt und Optik (Objektraum) und zwischen Optik und Sensor (Bildraum). Daraus ergeben sich drei Bauarten.

Senkrecht einfallendes Licht ist auch für den Sensor günstig, denn schräg einfallende Strahlen können an Mikrolinsen und Farbfiltern andere Helligkeit und Farbe erzeugen als senkrechte.

Konstanter Maßstab: ein Rechenbeispiel

Bei einem gewöhnlichen Objektiv gilt näherungsweise: Abbildungsmaßstab = Brennweite / (Objektabstand − Brennweite). Nehmen Sie ein Objektiv mit 50 mm Brennweite, das ein Bauteil in 500 mm Abstand abbildet. Der Maßstab beträgt dann 50 / 450, also etwa 0,111. Liegt das Teil nur 10 mm weiter weg, sinkt er auf 50 / 460, also etwa 0,109. Das sind rund 2,2 % weniger.

Ein 40 mm langes Teil, das bei der ersten Position richtig vermessen wurde, erscheint in der zweiten etwa 0,9 mm zu kurz. Für eine Fertigungskontrolle ist das zu viel. Bei einem objektseitig telezentrischen Objektiv bleibt der Maßstab innerhalb des Schärfebereichs praktisch gleich. Ein kleiner Restfehler bleibt, den der Hersteller üblicherweise als Telezentriewinkel angibt.

Ein zweiter Effekt: Bohrungen und Vertiefungen erscheinen bei gewöhnlicher Optik perspektivisch, man sieht ihre Innenwände. Mit objektseitig telezentrischer Optik zeigt eine Bohrung ihren echten Durchmesser, die Wand bleibt unsichtbar.

Blende, Schärfentiefe und Beugung

Die Aperturblende steuert bei diesen Objektiven drei Dinge zugleich: die Lichtmenge, den Schärfebereich und die erreichbare Auflösung. Eine kleinere Blendenöffnung vergrößert die Schärfentiefe, weil weniger schräge Strahlen zum Bild beitragen. Zugleich nimmt die Beugung zu, und die Auflösung sinkt. Es ist also ein Kompromiss, keine Verbesserung auf ganzer Linie.

Auch die Aussage „Der Maßstab bleibt über die gesamte Schärfentiefe konstant“ will genau gelesen werden. Außerhalb des Schärfebereichs wird das Bild unscharf, die Kanten verlaufen weich. Der Maßstab bleibt zwar auch dort ähnlich, aber die Kantenlage ist schwerer zu bestimmen. Messen Sie deshalb nur dort, wo das Teil scharf abgebildet wird.

Viele Objektive dieser Art haben eine feste, auf die Messaufgabe abgestimmte Blende. Das spart bewegliche Teile und macht den Aufbau unempfindlicher gegen Vibrationen. Einstellbare Blenden bieten dafür mehr Spielraum bei Licht und Schärfebereich.

Grenzen: Frontlinse, Bauraum und Aufwand

Die Vorteile haben ihren Preis. Der wichtigste Nachteil ergibt sich aus der Geometrie: Wenn die Strahlen parallel zur Achse einfallen sollen, muss die Frontlinse mindestens so groß sein wie das Messfeld. Für größere Teile werden die Objektive entsprechend groß und schwer.

Hinzu kommt der Aufbau: Das Objektiv muss sauber ausgerichtet sein, die Kamera darf nicht verkippen, und das Teil sollte senkrecht zur Achse liegen. Eine schief gehaltene Fläche liefert auch mit telezentrischer Optik verkürzte Maße.

Wo diese Optik eingesetzt wird

• Maßprüfung: Durchmesser, Längen und Kantenlagen an Dreh-, Fräs- und Spritzgussteilen, auch bei Serien mit leicht schwankendem Abstand.
• Elektronik: Lage und Abmessungen von Leiterplatten, Steckverbindern und Bauteilen.
• Halbleiterfertigung: Kontrolle von Strukturen und Ausrichtung, wo kleinste Abweichungen zählen.
• Medizintechnik: Vermessung kleiner Kunststoff- und Metallteile in der Produktion.
• Behälter und Glas: Durchmesser, Randhöhe und Silhouette von Flaschen, Ampullen oder Verschlüssen.
• Labor und Forschung: Vermessen von Proben und Versuchsaufbauten, wenn ein verzerrungsarmes Bild gebraucht wird.

Bildgebende Verfahren wie MRT oder CT arbeiten übrigens nicht mit Objektiven dieser Art; sie erzeugen ihre Bilder auf anderem physikalischen Weg.

Beleuchtung und Kalibrierung

Das beste Objektiv liefert nur dann verlässliche Maße, wenn das Licht dazu passt. Für Silhouetten, etwa von Wellen oder Stiften, eignet sich telezentrisches Durchlicht: Eine kollimierte, also parallel geführte Lichtquelle erzeugt scharfe Kanten. Für Oberflächen kommt Auflicht in Betracht, oft koaxial durch das Objektiv eingespiegelt, damit keine Schatten entstehen.

Viele dieser Objektive sind für einen bestimmten Wellenlängenbereich gerechnet. Einfarbiges Licht, etwa von LEDs in einer Farbe, verringert Farbfehler. Die Beleuchtung sollte deshalb zum Objektiv und nicht nur zum Sensor passen.

Kalibriert wird mit einem Referenzmaßstab, etwa einer Glasplatte mit bekannter Strichteilung. Daraus ergibt sich, wie vielen Millimetern ein Bildpunkt entspricht. Temperaturänderungen und Erschütterungen können den Aufbau verschieben, deshalb gehört die Kontrolle mit dem Referenznormal zum Betrieb.

Sensor und Pixel: wie fein sich messen lässt

Wie genau gemessen werden kann, hängt nicht nur vom Objektiv ab, sondern auch von Sensor und Maßstab. Ein Beispiel: Das Objektfeld ist 44 mm breit, der Sensor 8,8 mm. Daraus folgt ein Abbildungsmaßstab von 0,2. Hat der Sensor 2000 Pixel in der Breite, entspricht ein Pixel im Objekt 44 mm / 2000, also 0,022 mm.

Kanten lassen sich per Software feiner als ein Pixel bestimmen. Diese Unterpixel-Genauigkeit setzt aber saubere Kanten, ruhiges Licht und ein Objektiv voraus, dessen Auflösung zum Sensor passt. Ein Sensor mit sehr kleinen Pixeln nützt wenig, wenn Beugung oder Objektiv das Bild vorher weichzeichnen.

Typische Fehlerquellen beim Messen

• Verkippung: Liegt die Fläche schräg zur optischen Achse, werden Maße verkürzt wiedergegeben.
• Kantenbestimmung: Weiche Kanten durch Defokussierung oder Streulicht verschieben die gemessene Position.
• Temperatur: Teil, Halterung und Objektiv dehnen sich bei Wärme minimal aus.
• Staub und Schmutz: Partikel auf Frontlinse oder Schutzglas erzeugen Schatten und Störungen im Bild.
• Vibrationen: Schwingungen verwischen Kanten, besonders bei längeren Belichtungszeiten.

Worauf es bei der Auswahl ankommt

1. Messfeld und Abbildungsmaßstab: Das größte Teil bestimmt die Größe des Objektfelds und damit die Frontlinse.
2. Arbeitsabstand: Er muss zum Aufbau passen, damit Beleuchtung und Halterung Platz haben.
3. Sensorformat und Bildkreis: Das Objektiv muss die Sensordiagonale ausleuchten.
4. Anschluss: Bajonett oder Gewinde der Kamera und des Objektivs müssen laut Hersteller zusammenpassen.
5. Telezentriewinkel und Verzeichnung: Diese Werte stehen im Datenblatt des Herstellers. Vergleichen Sie nur Angaben, die unter gleichen Bedingungen ermittelt wurden.
6. Wellenlänge und Blende: Beides entscheidet mit über Auflösung und Schärfebereich.

Was Fotografen daraus mitnehmen

Für Teleobjektive an Systemkameras spielt Telezentrie keine Rolle, und Sie müssen beim Kauf nicht danach suchen. Das Prinzip erklärt aber, warum Aufnahmeabstand und Perspektive zusammenhängen. Wer Produkte maßhaltig fotografieren will, etwa Werkstücke oder flache Gegenstände, kommt mit größerem Abstand und längerer Brennweite näher an eine parallele Sicht heran, auch wenn das keine echte Telezentrie ist. Wichtig bleibt eine saubere Ausrichtung der Kamera zur Fläche.

Wer dagegen ein Objektiv für Natur, Sport oder Porträt wählen möchte, findet Hilfe in den Auswahlkriterien für Teleobjektive.

Kurz gesagt

• Telezentrisch beschreibt den Strahlengang, nicht die Brennweite; ein Teleobjektiv ist nicht telezentrisch.
• Objektseitig telezentrische Objektive halten den Abbildungsmaßstab im Schärfebereich konstant und zeigen keine Perspektive.
• Die Frontlinse muss so groß sein wie das Messfeld, daher sind die Objektive groß und auf einen Maßstab festgelegt.
• Kleinere Blenden vergrößern den Schärfebereich, kosten aber Auflösung durch Beugung.
• Beleuchtung und Kalibrierung entscheiden mit über die Genauigkeit.