WISSEN SIE WIRKLICH, WAS SIE KAUFEN?

Was haben diese Sprichwörter mit dem Alltag von Optikingenieurinnen und -ingenieuren zu tun? Eine ganze Menge. Zusammengenommen weisen sie auf ein großes Problem in der optischen Industrie hin, das die besten Ingenieurinnen und Ingenieure und ihre größten Vision-Systemprojekte behindert: das Fehlen von Objektivtoleranznormen.

Dieses Problem beschäftigt uns bereits seit Jahren und wurde erst kürzlich wieder durch die Schwierigkeiten eines namhaften Kunden verdeutlicht. Ein Ingenieur eines Luft- und Raumfahrtunternehmens stand kurz vor der Anschaffung einer wichtigen Objektiveinheit für ein optisches System, das Messungen im Weltraum durchführen sollte. Er war überzeugt von der bevorstehenden Anschaffung, wollte aber eine Spezifikation der Objektive auf dem Datenblatt durch ein geübtes und zuverlässiges Auge überprüfen lassen.

Auf dem Datenblatt war eine sehr geringe "Verzeichnung" von weniger als 0,5 Prozent angegeben, während ein ähnliches Objektiv unseres Unternehmens eine Verzeichnung von 10 Prozent aufwies. Dies schien eine klare Entscheidung für das Objektiv des Wettbewerbers zu sein, aber dann stellten wir etwas fest, was der Kunde nicht bemerkt hatte: Der angegebene Wert bezog sich auf eine andere Art der Verzeichnung. Als wir auf die Diskrepanz hinwiesen - dass die Firma "TV-Verzeichnung" angab, wir aber "Linsengeometrische Verzeichnung" - hatten der Kunde und wir einen gemeinsamen Aha-Moment. "Natürlich", sagte er, "deshalb ist der Verzerrungswert so niedrig. Das ist mir gar nicht aufgefallen!

Figure 1: Positive und Negative Distortion

Die Werte für die TV-Verzeichnung sind typischerweise viel niedriger als die Werte für die geometrische Verzeichnung (siehe Abbildung 1 auf der vorherigen Seite). Wir haben uns dafür entschieden, auf unseren Datenblättern den Wert der geometrischen Verzeichnung anzugeben, da dieser einen viel genaueren Hinweis auf die Objektivleistung gibt als der Wert der TV-Verzeichnung.

Fast hätte es geklappt, und hier liegt der Haken!

Das technische Datenblatt - die einfachste Form der Kommunikation von Objektivspezifikationen in unserer Branche - sollte einen objektiven und einheitlichen Schlüssel liefern, um Käufern den Vergleich von Objektiven zu erleichtern. Aber das tut es nicht. Datenblätter können irreführend sein. Vergleiche sind nicht äquivalent, weil das Format und die Daten, die in Datenblättern präsentiert werden, keinen internationalen Standards unterliegen und nicht von einer Aufsichtsbehörde überwacht werden. Selbst wenn bestimmte Zielparameter innerhalb eines Datenblatts an eine ISO-Norm gebunden sind, werden diese Normen selbst von Ingenieuren kaum verstanden.

Haben Sie schon einmal Datenblätter von japanischen, deutschen und US-amerikanischen Objektivherstellern nebeneinander gesehen? Sie haben kaum etwas gemeinsam. Aber das Problem sind nicht die kulturellen Unterschiede. Vergleichen Sie die Datenblätter von drei Objektivherstellern im gleichen Land und das Ergebnis ist dasselbe. Jede Firma verwendet ihr eigenes Format und ihre eigene Nomenklatur. Jedes Unternehmen erfindet im Grunde das Rad neu, aber der Käufer des Objektivs steht, wie wir sehen werden, vor einem platten Reifen.

Um Optikingenieuren und Systemdesignern zu helfen, Objektivdatenblätter kritischer zu betrachten, versteckte Fallen besser zu vermeiden und den Objektivherstellern die richtigen Fragen zu stellen, schlagen wir vor, sich auf die folgenden Schlüsselparameter des Datenblatts zu konzentrieren:

1. Modulationsübertragungsfunktion (MTF)
2. Brennweite
3. Blendenzahl

MTF Ein bequemer Weg zur Irreführung
Das Wichtigste, was ein Käufer berücksichtigen muss, um zu entscheiden, ob ein bestimmtes Objektiv seinen Systemanforderungen entspricht, ist die Betrachtung der Objektivleistung. Der Eintrag im Datenblatt, der die Leistung am besten annähernd beschreibt, ist die Modulationsübertragungsfunktion, besser bekannt als MTF.

Was den meisten optischen Ingenieuren und Designern nicht bewusst ist, ist, dass es viele verschiedene Arten von MTF gibt, von denen jede unterschiedliche Werte aufweist, die eine künstliche Aufblähung einer Schätzung der Objektivqualität bewirken können. Da es keine Standards dafür gibt, wie Objektivhersteller MTF in einem Datenblatt angeben, bleibt es dem Käufer überlassen, zu ermitteln, welche Art von MTF er oder sie bewertet. Diese Zwickmühle wird durch die Tatsache noch schwieriger, dass viele Anbieter den Begriff MTF generisch in ihren Datenblättern verwenden.

Lassen Sie sich nicht täuschen. Nicht alle MTFs sind gleich.

Die generische Verwendung von MTF ist eine bequeme Möglichkeit, den Leser in die Irre zu führen. Wenn generisch verwendet, steht MTF oft als Abkürzung für "geometrische MTF", ein Wert, der die Beugung nicht berücksichtigt und somit eine höhere, scheinbar attraktivere Zahl liefert. Die strengste und nützlichste Art von MTF - die beste Anzeige für das wahre Leistungspotenzial der Linse in einem Visionssystem über verschiedene Wellenlängen hinweg - wird als "polychromatische Beugungs-MTF" bezeichnet.

Die Berechnung des polychromatischen Beugungs-MTF ist ein besserer Weg, um die Leistung des Objektivs zu bewerten als das geometrische MTF, weil es besser widerspiegelt, wie ein Objektiv in der realen Welt verwendet wird. Es berücksichtigt insbesondere die Physik der Optik, die die Beugung umfasst, etwas, das im geometrischen MTF nicht berücksichtigt wird. Erneut kann man aus den Berechnungen erkennen, dass das polychromatische Beugungs-MTF eine höhere Zahl ist, und für das ungeübte Auge bedeutet das "weniger gut". Nicht so. (Siehe Abbildung 2 auf der nächsten Seite).

Geometrisches MTF, eine viel einfachere Berechnung als das polychromatische Beugungs-MTF, repräsentiert, wie MTF vor 30 bis 40 Jahren berechnet wurde, d.h., bevor es Computer gab. Für Ingenieure, die hochwertige optische Systeme für den Einsatz in Umgebungen vor dem PC-Bereich entwickeln, ist geometrisches MTF genau das Richtige!

Hier sind wir natürlich etwas frech, aber es ist nichts Lustiges daran, nicht zu kennzeichnen, welche Art von MTF ein Objektivhersteller auf seinem Datenblatt angibt. Geometrisches MTF als echtes MTF auszugeben und zu hoffen, dass der Käufer nicht genau hinschaut, ist zwar nicht illegal, aber es ist nicht richtig. Leider ist dies ein Bereich, in dem das Fehlen transparenter, allgemein verständlicher Datenblattstandards sowohl den erfahrenen Ingenieur als auch den Neuling gleichermaßen beeinträchtigt hat.

Um es klar zu sagen, Hersteller, die dies tun, verstoßen nicht gegen das Gesetz. Die von ihnen angegebene MTF-Zahl ist genau, aber indem sie einen MTF-Beschreibungsbegriff auslassen ("geometrisch" in diesem Fall), schafft der Hersteller eine Situation, in der der Käufer wahrscheinlich auf eine signifikante Leistungslücke stößt, die die Entwicklung ihres optischen Systems verlangsamen, die Kosten erhöhen oder gefährden wird.

Bei Schneider Optics beantworten wir oft Fragen von potenziellen Käufern, warum unsere MTF-Werte nicht günstig im Vergleich zu verschiedenen Mitbewerbern sind. Neun von zehn Mal sind sie schockiert zu erfahren, dass es nicht nur mehrere Arten von MTF gibt, sondern auch, dass sie Äpfel mit Birnen verglichen haben. Jetzt wissen sie Bescheid. Und jetzt auch Sie. Brennweite: Wenn 100 ≠ 100 Selbst wenn es einen Standard der Internationalen Organisation für Normung (ISO) oder der Deutschen Industrienormen (DIN) gibt, der mit einer Objektivspezifikation verbunden ist, sind viele Käufer sich des Standards und der noch größeren Auswirkungen auf ihr Vision-Design-System oft nicht bewusst. Die Brennweite (f') des Objektivs ist ein anschauliches Beispiel.

Fig. 2: Diffraction MTF vs. Geometrical MTF for the same lens

Diffraction MTF Polychromatic

Geometrical MTF Polychromatic

Die Brennweite eines Objektivs ist doch ziemlich eindeutig, oder? Ob Sie nun ein 100-mm-Objektiv für eine Kamera oder 20 100-mm-Objektive für ein Bildverarbeitungssystem zur Überwachung eines Produktionsprozesses benötigen, auf dem Datenblatt steht eindeutig, dass der Käufer ein 100-mm-Objektiv erhält. Wussten Sie aber, dass die DIN-Norm 4522, Teil 11, für die Gravur eines Objektivs eine Brennweitenabweichung von ±6 Prozent vorschreibt? Die meisten Objektivkäufer wissen das nicht - so etwas lernt man nicht an der Ingenieurschule!

Für ein Unternehmen, das 20 100 mm Objektive für sein Bahninspektionssystem kauft, um z. B. Fehler auf einer großen Materialbahn zu messen, hat die DIN-Norm für die Brennweite erhebliche Auswirkungen. Sie könnte bedeuten, dass das Unternehmen statt 20 einheitlicher 100 mm Objektive Objektive mit unterschiedlichen Brennweiten zwischen 94 mm und 106 mm kauft (wobei das Delta zwischen dem, was es kauft, und dem, was es bekommt, Ärger, zusätzliche Arbeit oder Nacharbeit bedeutet und im schlimmsten Fall einen Systemausfall, der die Unkenntnis des Ingenieurs über den Objektivkaufprozess offenbart). In der Praxis würde dies bedeuten, dass jedes einzelne Objektiv und jede einzelne Kamera in einem leicht unterschiedlichen Abstand aufgestellt werden müsste, um allen die gleiche Vergrößerung und das gleiche Sichtfeld zu bieten. Man denke nur an den armen Stereovisionsdesigner!

Eine Möglichkeit, diese Ungenauigkeit zu vermeiden, besteht darin, genau zu wissen, was man kauft. Und dazu muss man Fragen stellen. Ein seriöser Hersteller von Qualitätsobjektiven wird Ihre Fragen zu Brennweiten und Toleranzen von Objektiv zu Objektiv, von Charge zu Charge und von Jahr zu Jahr beantworten können.

Ein verantwortungsbewusster Käufer muss mehr wissen als die Angaben auf dem Datenblatt: Er muss die angegebenen Werte genau überprüfen und nur mit Herstellern zusammenarbeiten, die ihre Produkte wirklich kennen, die Objektive mit engen Toleranzen produzieren, die diese Toleranzen genau veröffentlichen und die mit Ihnen zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass Sie das beste Objektiv für Ihr System kaufen.

f - Zahl: Das Licht sehen
Wie für die Brennweite gibt es auch für die Blendenzahl (f/# oder f-stop), die die Lichtmenge bestimmt, die durch das Objektiv fällt, eine internationale Norm, aber auch hier kennen die meisten Käufer diese Norm nicht. Und was sie nicht wissen, kann ihnen schaden.

Wir glauben, dass Sie überrascht sein werden, was die ISO-Norm (ISO 517) in Bezug auf die Blendentoleranz vorschreibt. Bei einer Blende von 5,6 oder kleiner - zum Beispiel bei Einstellungen von f/5,6, f/8, f/11, f/16 oder f/22 - müssen die Blendenwerte nur auf ± eine halbe Blende oder ± 25 Prozent des Lichts genau sein. Das ist ein gewaltiger Unterschied! Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, in Ihrem Bildverarbeitungssystem 20 Objektive hintereinander auf Blende 8 einzustellen, und Sie wissen, dass alle um ± 25 Prozent daneben liegen können! Und wenn das Objektiv schneller ist, also auf f/4, f/2,8 oder f/2 eingestellt ist, beträgt die Toleranz ± ein Drittel einer Blende oder ± 16,6 Prozent des Lichts. Durch diese Lücken könnte man mit einem Bus fahren, was sicher nicht hilfreich ist, wenn man versucht, mehrere Objektive in einer Reihe für sein Bildverarbeitungssystem einzurichten.

Manch einer denkt vielleicht über eine einfache Lösung für diese Abweichungen nach. Könnte man zum Beispiel nicht einfach die Blendenzahl jedes Objektivs anpassen, so dass jedes Objektiv die gleiche Lichtmenge in das System einfängt? Ja, aber man muss bedenken, wofür die Objektive entwickelt wurden. Die Objektive würden nicht mehr mit der richtigen Blendenzahl arbeiten, was sich auf die Schärfentiefe und damit auf die Schärfe auswirken würde!

Dieses Thema der Umgehungsmöglichkeiten führt uns zurück zu unserem oben erwähnten Luft- und Raumfahrtingenieur. Die Spezifikation des Objektivs, über die er stolperte, war die Verzeichnung, eine weitere Spezifikation ohne Norm. Die tatsächliche Verzeichnung des Objektivs, das er beinahe gekauft hätte, hätte das zu entwickelnde System lahm gelegt, den Start eines Satelliten verzögert und die Mitarbeiter ihren Job gekostet. Der Fehler wäre zwar im Downstream-Bereich entdeckt worden, bevor er katastrophale Folgen gehabt hätte, aber das ist nicht gut genug. Ingenieure arbeiten in einer Welt der exakten Werte und müssen die Möglichkeit haben, diese zu erhalten, bevor sie kaufen.

Fazit
Erfahrung ist ein guter Mentor. Dank unserer langjährigen Erfahrung haben wir viel über die Unzulänglichkeiten von Datenblättern und die Regeln, die für sie gelten, gelernt. Hier eine kurze Zusammenfassung:

1. Datenblätter für optische Linsen sind nicht standardisiert, so dass jeder Anbieter die Daten so darstellen kann, wie er es für richtig hält. Dies kann zu irreführenden Leistungsangaben führen und macht es schwierig, Äpfel mit Äpfeln zu vergleichen.

2. Allgemeine Spezifikationsbegriffe wie MTF verschleiern oft, was sie genau messen und wie sie berechnet werden, so dass es wiederum dem Käufer überlassen bleibt, diese Daten zu ermitteln.

3. Selbst wenn die Spezifikationen durch eine ISO- oder DIN-Norm geregelt sind, sind diese Normen a) für die Käufer von Objektiven oft nicht leicht verständlich und b) in der Regel so weit gefasst, dass ein Bus durch sie hindurchfahren kann. Versuche, die Akteure der Branche zusammenzubringen, um gemeinsame Normen zu entwickeln, sind gescheitert und wurden aufgegeben. Jetzt liegt es an den Käufern, sich besser zu informieren und neugierig zu werden. Es liegt auch an den seriösen Herstellern, ihre Daten nicht mehr zu verschleiern, sondern klar zu präsentieren, indem sie zum Beispiel den Typ des MTF angeben.

Und wo sich diese beiden Parteien - Käufer und Verkäufer - auch weiterhin treffen werden, ist am Telefon. Informierte Käufer müssen die richtigen Fragen stellen und die Details hinter den wichtigsten Spezifikationen herausfinden. Im Gegenzug müssen Qualitätslieferanten ihre Kunden mit einer gründlichen Kenntnis ihrer Linsentoleranzen und der Bereitschaft, diese auf hilfreiche und transparente Weise zu kommunizieren, begeistern.

In der Zwischenzeit sollten Sie daran denken, dass Sie das bekommen, wofür Sie bezahlen. Caveat emptor.