TFL-Mount: Für hochauflösende Großformat-CMOS-Sensoren

Immer mehr Industriesensoren überschreiten durch steigende Auflösungen das 1.1"-Format. Gleichzeitig werden die Pixel kleiner und reagieren empfindlicher auf optische Toleranzen. Um diesen Entwicklungen gerecht zu werden, bietet der TFL-Mount ein standardisiertes, kompaktes Hochleistungsdesign, das speziell für APS-C- und 4/3"-Sensoren entwickelt wurde.

TFL-Mount-Objektiv – Maximale optische Leistung über 1.1"-Sensoren hinaus

Die Lücke zwischen C-Mount und F-Mount schließen

Obwohl die Entwicklung präziserer optischer Komponenten stetig voranschreitet, basiert die Objektivtechnologie im Kern weiterhin auf der Lichtbrechung durch Glas. Heute sind Industrie-Sensoren mit über 20 MP Auflösung zu attraktiven Preisen üblich und in kompakten C-Mount-Kameras mit guter Leistung verfügbar. Mit zunehmender Sensorgröße und -auflösung stößt C-Mount bei APS-C- und 4/3″-Formaten an physikalische Grenzen. F-Mount und M42 können diese Sensoren zwar abdecken, bringen jedoch Nachteile mit sich. Um die Lücke zwischen C-Mount und F-Mount zu schließen, setzt die Atlas Kamera auf den TFL-Mount. In Kombination mit einem TFL-Objektiv und einer aktiven Sensorjustage in der Atlas liefert das System kristallklare Bilder von der Mitte bis in die Ecken.

Inhaltsverzeichnis

Sensorauflösung lässt sich auf drei Wegen steigern: Der Sensor wird größer bei gleicher Pixelgröße, die Pixel werden kleiner bei gleicher Sensorgröße oder beides in Kombination. Jede Option hat Trade-offs. Kleinere Pixel bedeuten meist ein geringeres Signal-Rausch-Verhältnis, größere Sensoren sind teurer. Der Trend zeigt dennoch zu größeren Sensoren bei zugleich kleineren Pixeln. Die Branche steht damit an einem Punkt, an dem C-Mount die physikalischen Möglichkeiten ausreizt. C-Mount definiert ein 25,4 mm Gewinde mit einem Flanschabstand (auch Auflagemaß) von 17,526 mm.

Am Limit des C-Mount

Wie in Abbildung 1 gezeigt, liegt der maximal realisierbare Linsendurchmesser in einem C-Mount-Gehäuse bei etwa 17 mm, obwohl die Öffnung 25,4 mm misst. Grund sind mechanische Bauteile wie das Haupttubus, das fokussierende Innentubus sowie Halteringe, die die freie Apertur der optischen Elemente schrittweise verkleinern. Mit kleiner werdender Optik muss das Licht unter größeren Winkeln austreten. Solange der Sensor kleiner als die Optik ist, ist das unkritisch. Mit größeren Sensoren wird die Paarung im C-Mount jedoch schwieriger. Steigt der Hauptstrahlwinkel θ (siehe Abbildung 2), verdunkeln sich die Bildecken durch den cos⁴(θ)-Abfall. Zusätzlich besitzt der Bildsensor einen eigenen Helligkeitsabfall abhängig von der Mikrolinsen-Optimierung. Ziel jeder Optik ist daher, diesen Winkel zu minimieren. In Summe ergibt sich für bestmögliche Leistung in C-Mount-Kameras eine praktische Obergrenze von 1,1″ Sensorformat (17,6 mm Diagonale).

Abbildung 1, links: Querschnitt der Rückseite eines C-Mount-Objektivs (1,1″, 12 mm Brennweite). Durch die Mechanik ist das letzte Linsenelement kleiner als die 25,4 mm C-Mount-Öffnung. Größere Sensoren erzwingen steilere Strahlwinkel, was die Helligkeit beeinflusst (Diagramm oben rechts). (Rot steht für die Ecke eines 1,1″-Sensors, Braun für 1″, Blau für die Sensor-Mitte.)

Abbildung 2, rechts: Einfluss des Hauptstrahlwinkels auf die relative Helligkeit am Bildsensor. Steile Winkel reduzieren die Randhelligkeit, sofern sie nicht mit aufwendigeren Optiken kompensiert werden. Große Sensoren in C-Mount-Kameras verstärken diesen Effekt.

Mit der dritten Pregius-Generation stellte Sony den IMX342 vor, einen 31,4 MP Sensor im APS-C-Format (27,9 mm Diagonale). Dieser Sensor ist für C-Mount deutlich zu groß. Für den Industriemarkt liegt er zugleich zwischen den Welten: F-Mount (M42) ist der nächstgrößere Anschluss, bringt jedoch mehrere optische Nachteile mit sich. M42 wirkt naheliegend und es gibt Kameras mit M42-Anschluss, doch existiert kein einheitlicher Industriestandard hinsichtlich Auflagemaß und Gewindesteigung. Der TFL-Mount ist für APS-C dagegen ideal und durch die Lens Working Group der Japan Industrial Imaging Association (JIIA) standardisiert. TFL entspricht M35×0,75 mit einem Flanschabstand von 17,526 mm und teilt damit das Auflagemaß des C-Mount. Man kann ihn als C-Mount mit größerem Durchmesser verstehen.

TFL-Mount vs. F-Mount

Der TFL-Mount bietet bei APS-C mehrere Vorteile gegenüber F-Mount: geringere Kosten, passender Flanschabstand und eine robuste Befestigung des Objektivs an der Kamera. F-Mount-Objektive sind größer, da sie deutlich größere Bildkreise abdecken müssen (bis 43,3 mm Diagonale gegenüber 27,9 mm bei APS-C). Größere Linsen bedeuten höhere Kosten; grob wächst der Preis eines Einzelelements mit dem Quadrat des Radius. Über mehrere Elemente summiert sich das schnell.

TFL-Mount für APS-C- und 4/3"-Sensoren

Abbildung 4: TFL-Mount schafft Platz für die umgebende Objektivmechanik bei APS-C und reduziert Probleme durch steile Strahlwinkel.

Warum der Flanschabstand zählt

Ein weiterer zentraler Vorteil des TFL-Mount gegenüber F-Mount ist der Flanschabstand. Wie oben beschrieben, lässt sich TFL als C-Mount mit größerem Durchmesser verstehen, da beide ein Auflagemaß von 17,526 mm besitzen. F-Mount hat 46,5 mm. Der lange Flanschabstand von F-Mount beschränkt die möglichen Objektivdesigns, insbesondere bei kurzen Brennweiten, die oft kurze Rückbrennweiten (Back Focal Length, BFL) aufweisen. Eine kurze Brennweite mit langer BFL erzwingt ein Retrofokus-Design, bei dem die Brennweite kürzer ist als die Gesamtlänge des Objektivs. Diese Zwangsbedingung führt zu Kompromissen bei der Auflösung. Teilweise lässt sich das durch eine weit in das Kameragehäuse ragende Hinterlinse ausgleichen. Solche Linsen benötigen jedoch kleinere Durchmesser, um in das Gehäuse zu passen, was erneut den cos⁴(θ)-Abfall begünstigt. Der kurze Flanschabstand von TFL ermöglicht ein insgesamt kompakteres System und verschafft dem Optikdesigner deutlich mehr Freiheitsgrade, um die Auflösung zu maximieren.

Diese kürzere Distanz und die Auslegung der TFL-Objektive für kleinere Bildkreise mit geringeren feldabhängigen Aberrationen führen zu hochperformanten, kompakteren und kosteneffizienteren Linsen für TFL-Kameras.

Oben: Schematische Kameraschnitte im Vergleich des Flanschabstands von C-Mount, TFL-Mount und F-Mount und dessen Einfluss auf die Baugröße.

Gewinde vs. Bajonett

F-Mount ist kein Gewindeanschluss, sondern ein Bajonett. Für die Fotografie ist das ideal, da Objektive schnell gewechselt und elektronische Funktionen wie Iris- oder Fokussteuerung einfach integriert werden können. In den meisten Machine-Vision-Anwendungen sind diese Vorteile jedoch kaum relevant. Objektive werden selten gewechselt und wenn, dann nicht unter Zeitdruck. Eine motorisierte Iris ist nur in Ausnahmefällen erforderlich, und Fokusmotoren sind in einer 24/7-Industrieumgebung verschleißanfällig.

Der wesentliche Nachteil des Bajonetts liegt in seiner Natur. Mit größer werdenden Sensoren sinkt die zulässige Verkippung des Sensors zur optischen Achse. Abbildung 5 zeigt, wie sich Bildfeldebenen-Tilt bei großen Sensoren stärker auswirkt. Enge Toleranzen sind entscheidend, insbesondere bei niedrigen Blendenzahlen für hohe Auflösung. Ein Bajonett erlaubt mehr Spiel und koppelt Objektiv und Kamera nicht optimal. Hinzu kommt, dass die Toleranzen des Nikon F-Mount nicht veröffentlicht sind, wodurch Optikhersteller Annahmen treffen müssen. Gewindeanschlüsse werden hingegen plan in ein massives Metallteil geschnitten und erreichen eine sehr hohe Ebenheit. Zudem ist die Klemmkraft eines Gewindes deutlich höher als bei einem Bajonett. Objektiv- und Kameraflansch liegen spielfrei an, ohne Wackeln oder Durchbiegung, auch bei Vibrationen oder schweren Objektiven. TFL ist ein veröffentlichter Standard mit Gewindeanschluss, sodass Kamera- und Objektivhersteller exakt aufeinander abgestimmt entwickeln können.

image defocusing with increases tilt between lens and sensor

Abbildung 5: Mit größeren Sensoren und kleineren Pixeln sind enge Toleranzen unverzichtbar. Ein Bajonett erlaubt eine lockerere Kopplung als das TFL-Gewinde, was die Fokussierung beeinträchtigen kann.

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Oben: Bajonettanschlüsse sind für Fotografie vorteilhaft. Für den industriellen Dauerbetrieb bringen zusätzliche Komponenten, Federmechanismen und fehlende veröffentlichte Spezifikationen jedoch Unsicherheiten mit sich.

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Oben: Gewindeanschlüsse (hier TFL-Objektiv) werden aus einem massiven Metallteil gefertigt und ermöglichen eine wesentlich höhere Klemmkraft an der Kamera. Das verhindert Wackeln oder Durchbiegung, auch bei Vibration oder Schwerkraft, unabhängig von der Objektivgröße. TFL ist zudem ein veröffentlichter Standard.

TFL-Mount + Active Sensor Alignment

Das beste Objektiv und der optimale Anschluss nutzen wenig, wenn der Kamerasensor nicht präzise zum Objektivtubus ausgerichtet ist. Um die Leistung hochwertiger TFL-Objektive an einer TFL-Kamera voll auszuschöpfen, ist eine aktive Sensorjustage erforderlich. Sie stellt sicher, dass Sensoren zentriert, ohne Tilt und ohne Rotation eingesetzt werden. Dies ist bei größeren Sensoren und kleineren Pixeln besonders kritisch, da schon Mikrometer-Abweichungen die Schärfe spürbar beeinträchtigen. Wie in Abbildung 5 gezeigt, kann ein Tilt von wenigen Mikrometern einen hochauflösenden Bildkreis auf einem großen 4/3″- oder APS-C-Sensor defokussieren. Das Active-Sensor-Alignment von LUCID misst Bildmitte, Rotation, Tilt und Rückbrennweite. Die Sensorposition wird während der Platzierung anhand visueller Messungen aktiv nachgeführt. Ein automatisiertes 6-DoF-System mit optischer Prüfeinheit analysiert in Echtzeit ein Muster über der Sensorfläche. Maximale Schärfe über die gesamte Ebene ist das Kriterium, während der Sensor fixiert wird. Details im Tech Brief zu LUCIDs Active Sensor Alignment, eingesetzt in unseren Atlas und Triton Kameras.

Oben: LUCIDs Active Sensor Alignment zentriert den Sensor und richtet ihn ohne Tilt oder Rotation zum Objektivtubus aus. Das gewährleistet einen idealen Lichtweg durch das Objektiv auf den Sensor mit maximaler Schärfe bis in die Ecken.

sensor optical alignment problems off-center

Oben: Überzeichnete Animation einiger Toleranzen in Kamerakomponenten. Sie zeigen, wie ungenaue Sensorplatzierung zu Abweichungen führen kann.

TFL-Mount für Machine-Vision-Kameras

TFL-Objektive sind kleiner, leichter, kostengünstiger und für den Langzeitbetrieb in der Industrie ausgelegt. Für Sensoren größer als 1,1″ bis hin zu APS-C sind sie die bessere Wahl. Der Standard gewinnt im Machine-Vision-Markt weiter an Verbreitung und bietet einen zukunftsfähigen Ansatz für Optik und Kamera. Immer mehr Industrie-Sensoren erscheinen jenseits von 1,1″ mit kleineren Pixeln, zum Beispiel Sonys 4^th-Gen Pregius S IMX530 CMOS mit 24,5 MP, ein 4/3″-Sensor (19,3 mm Diagonale) mit 2,74 µm Pixelgröße (37 % kleiner als 3,45 µm). Diese Sensoren spielen ihre Stärken mit hochwertigen TFL-Objektiven und aktiv justierten TFL-Kameras aus, etwa der hochauflösenden Atlas Kamerafamilie von LUCID.