Symptom: Niedriger Kontrast bei telezentrischen Objektiven mit Coax Beleuchtung

Manchmal geht der Bild-Kontrast bei Benutzung von telezentrischen Objektiven mit Coax Beleuchtung stark zurück.

Lassen Sie uns die Situation bei Verwendung von coax Typen telezentrischer Objektive analysieren:

Bild bei ausgeschalteter Coax Beleuchtung:No Spot

Bild bei angeschalteter Coax Beleuchtung (automatische Blichtungszeitanpassung):

Spot

Frage: Was ist bei Objektiv oder Beleuchtung falsch?

Antwort:: Objektiv und Beleuchtung sind wahrscheinlich in Ordnung, aber das Objekt ist falsch gewählt.

Die wahrscheinlichste Ursache dieses Symptoms des sinkenden Kontrastet ist weder Objektiv noch Beleuchtung, sondern das Objekt (!)

Schauen wir uns einen sogenannten Strahlteilerwürfel an, wie er in den meisten Telezentrischen Coax-Optiken verwendet wird

Das (idealisierte) Prinzip sieht so aus:

  • Von einer Lichtquelle (1) aus geht das Licht in einen Glaswürfel, dessen Diagonale (3) semi-tranparent ist
  • 50% des Lichts gehen durch und werden in einer Lichtfalle (13) gefangen,
  • Die anderen 50% werden Richtung Objekt umgelenkt und von diesem Reflektiert bevor die wieder auf den Glaswürfel treffen.
  • 50% dieses Lichts (=25% des gesendeten Lichts) werden zuürck in die Beleuchtung reflektiert
  • die anderen 50% dieses Lichts (=25% des eingebrachten Lichts)erreichen schliesslich den Sensor bei (11)
Die Idee ist brilliant.Es gibt aber ein kleines Problem: Das Prinzip “Von 100% kommen 25% an, ist mit diesen Prozentzahlen falsch!

beamsplitter

Was ist also der Grund für den schlechten Bildkontrast?

Bei spiegelnden Objekten (Spiegel, Uhrenteile, Steckerstifte, .. ) wird die Nutzinformation des Bildes von etwa 4.4% Streulicht überlagert. Ergebnis ist ein kontrastreich beleuchtetes Bild
Bei diffus reflektierenden Objekten (Papier, Holz, Stoffe .. das Allermeiste um uns herum) wird die Nutzinformation des Bildes von circa der 20fachen Menge Licht aus internen Reflexionen im Strahlteilerwürfel überlagert.
Natürlich wird nicht das Streulicht mehr, sondern die “nützliche Information” nimmt drastisch ab. . Ergebnis ist ein sehr kontrastarmes Bild
Um das detailliert aufzuzeigen folgen wir dem Licht durch den Strahlteilerwürfel:

Wir nehmen hier ein Antireflex Coating von 99% and 10% absorbtion by the mirror

  • Von der Lichtquelle(1), erreicht das Licht die Oberfläche (2) des Strahlteilerwürfels. Dieser Würfel besteht aus Glas, unbeschichtetes / unvergütetes Glas reflektiert typischerweise 4% des einfallenden Lichts . If das Glas anti-reflex-beschichtet , reflektiert es weniger, , sagen wir 1% des Lichts und nur 99% tritt in den Würfel ein.
  • Das Licht erreicht die Diagonale (3) des Würfels wo der STrahl tatsächlich geteilt wird. Dies kann durch dielektrische Schichten erreicht werden (die etwas polarisation verursachen) oder durch eine dünne Aluminiumschicht
  • Dieses Coating absorbiert typischerweise Licht z.B. 10% bei einem Aluminium Coating. Es werden also nur89% des Lichts deteilt
  • Die Hälfte der 89% (=44.5%) geht per Transmission durch den Strahlteiler Richtung Lichtfalle,
  • Die anderen 44.5% werden Richtung Objekt reflektiert.

Verfolgen wir zunächst das Licht Richtung Lichtfalle:

  • Direkt beim Verlassen des Strahlteilers wird 1% der auftreffenden Lichtmenge (bei(12)) zurück Richtung 50:50 Spiegel (3) reflektiert! Diese 1% sind 0.445% der Originallichtmenge. Das klingt nach nicht sehr viel, aber verfolgen wir das Licht weiter
  • Vom Spiegel (3) werden wieder 10% des Lichts absorbiert, der Rest von  0.4005% wird 50:50 geteilt
  • Also werden 0.2% zur Beleuchtung durchgelassen, aber die anderen 0.2% werden Richtung Kamerasensor reflektiert!
  • Bei(10) werden 1% von 0.2% reflectiert, wenig genug, um es zu ignorieren.

Verfolgen wir nun den anderen Teil des Strahls:

  • Beim Verlassen des Strahlteilerwürfels werden 1% der auftreffenden Lichtmenge reflektiert Richtung 50:50 Spiegel (3)! Diese 1% sind 0.445% der ursprünglichen Lichtmenge. Das klingt wieder nicht viel, aber es geht weiter!
  • Beim Spiegel (3) werden wieder 10% des Lichts light absorbiert, Die verbleibenden  0.4005% werden 50:50 geteilt.
  • Es werden also 0.2% Richtung Beleuchtung reflektiert.
  • Die anderen 0.2% gehen durch den Spiegel Richtung Sensor
  • Bei(10)  werden 1% der 0.2% Reflektiert, wenig genug zum ignorieren.

Wir haben den Strahlteilerwürfel Richtung Objekt verlassen. War es das schon ? Durchaus nicht!

Normalerweise is der Strahlteiler nicht das letzte Element im Objektiv. Gehen wir von einem einzigen letzten Element aus, z.B. einem Achromaten. (hier nur durch ein Rechteck dargestellt – das war einfacher zu Zeichnen 😉 )

  • Bei diesem Element (5) werden 1% der Lichtmenge zum Strahlteilerwürfel zurück reflektiert (grob wieder 0.4%) und 99% davon passieren die Spiegeloberfläche.
  • Der Spiegel (9) absorbiert wieder 10%. 50% davon (grob 0.18% der Originallichtmenge)werden Richtung Kamera durchgelassen
  • die andferen 50% werden zurück in die Beleuchtung reflewktiert.
  • An der anderen Linsenoberfläche werden ebenfalls 1% der Lichtmenge reflektiert!
  • wieder reisen 0.4% richtung Strahlteiler und so reisen weitere 0.18%Richtung Kamera

Endlich erreichen wir das Objekt. Alles gut? Durchaus nicht!

  • Ist das Objekt ein Spiegel so absorbiert es trotzdem noch Licht!
    (z.B. 10% für Aluminium auf Glas, 2% für Silber auf Glas, 30% für Chrom auf Glas)
  • Gehen wir von einem Aluminium Spiegel aus. Es werden also (nur) 10% der 44% absorbiert. Dann reisen 39.6% des Lichts richtung Strahlteilerwürfel.
  • 1% davon wird an der ersten Oberfläche Frontlinse reflektiert , nochmal 1% 1% an der Rückseite der Frontlinse
  • Wieder 1% wird an der Würfeloberfläche reflektiert und ca. 38.4% erreichen den Teilerspiegel
  • Der Spiegel absorbiert 10% davon und die verbleibenden 34.5% werden 50:50aufgeteilt
  • 50% passiert den Spiegel (17.25% der Original Lichtmenge ) und reist weiter Richtung Kamera.
  • 1% davon wird an der Würfeloberfläche reflektiert, eine kleine, ignorierbare Menge
  • Statt der “idealen” 25% geht nur nur etwa 17.25% der Lichtmenge Richtung Kamera (noch reduziert durchweitere Linsenelemente im Objektiv.
    Diese 17.25% werden überlagert von 0.2+0.2+0.18+0.18% = 0.76% von internen Reflexionen.
  • 0.76% sind etwas über 4.4% der Bildinformation. Es Teil des Kontrasts stirbt also.

Aber das ist immer noch akzeptabel!. Erinnern wir uns aber daran, dass die obigen Photos ein Objekt zeigen, was kein Spiegel ist , stattdessen diffus reflektierendes Papier. Was passiert wohl in diesem Fall .. Seien Sie vorbereitet!!

  • Reflektiert das Objekt diffus zurück (wie fast alles um uns herum), erreichen ebenfalls 44% des eingehenden Lichts das Objekt. Aus welcher Richtung man auch immer schaut ist der Lichtfleck gut zu sehen!
  • Das heißt aber dass die 44% offensichtlich über 360 grad horizontal und fast 180 Grad vertikal zerstreut werden.
  • Gehen wir mal davon aus, dass nur Licht von z.B. 10 Grad  zurück zum Objektiv reflektiert wird. 10 Grad sind 1/18 von 180 Grad. Stellen wir uns einen Halbkugel-Kuchen vor und schneiden ihn fächerförmig in 18 Teile, entspricht jedes Teil 10 Grad. Jetzt drehen wir den Kuchen auf dem Tisch stehend um 90 Grad und schneiden wieder 18 Teile. Ein STück was 10 Grad x 10 Grad entspricht hat also 1 / 18*18 der Halbkugeloberfläche.
  • Es werden also (von Absorbtion ganz abgesehen) nur 1/18×18 der Lichtmenge Richtung Objektiv reflektiert , also nur  (1/18*18) = 0.3% von 44% (= 44%*0.003=0.1%)
  • Also reisen (von Absorbtion abgesehen) nur 0.1% der Originallichtmenge Richtung Frontlinse, wovon je 1% an den beiden Linsenoberflächen reflektiert werden und 1 weiteres Prozent an der Würfeloberfläche
  • 97% dieser 0.1% ereichen den Spiegel der 10% absorbiert (bleiben 87%)
  • 50% davon (=43.5% von0.1% = 0.04% wird Richtung Kamera durchgelassen.
  • Also wird 0.04% “nützlicher” Information vom Objekt mit 0.76% interner Reflexionen überlagert!
  • Sprich, das “Streulicht” der Internen Reflexionen ist 0.76%/0.04% = 0.0076/0.0004=19 mal stärker als das “nützliche” Licht.
NEVER use a coax type of telecentric lens for insperction of a diffuse reflecting object. The internal reflections in the beamsplitter cube are much higher than the image information from the object. The contrast will drastically suffer.