Matthias Zizelmann
Tannenweg 28
72275 Alpirsbach
www.zizelmann.de
E-Mail: matthias@zizelmann.de
Funktion und Anwendung von Lichtsensoren in der Fotografie

Einweglichtschranken

Funktionsprinzip

Sender und Empfänger sind in getrennten Gehäusen untergebracht. Sie werden so montiert, dass der vom Sender ausgestrahlte Lichtstrahl auf die Empfängeroptik trifft. Wird der aktive Lichtstrahl zwischen Sender und Empfänger unterbrochen, schaltet der Ausgang.
Skizze Einweglichtschranke ohne Objekt:
Der Lichtstrahl trifft auf den Empfänger
Skizze Einweglichtschranke mit Objekt:
Der Lichtstrahl trifft nicht mehr auf den Empfänger - Objekt erkannt

Vorteile

  • große Reichweite
  • Auslösepunkt deutlich und sehr genau durch den auftreffenden Laserstrahl (auch aus größerer Entfernung) sichtbar.
  • Bei Verwendung von Laserlicht sehr hohe Auflösung (ca. 0,1mm Objekterkennung).
  • Extrem hohe Schaltgeschwindigkeit, kann daher auch für Hochgeschwindigkeits- Lichtschrankenfotografie (Objektgeschwindigkeiten von weit über 50m/s sind möglich. Die Blitzgeräte werden direkt von Lichtschranke gesteuert.) eingesetzt werden.
  • Einweglaserlichtschranken mit sehr hoher Schaltgeschwindigkeit (ca. 1us) lassen sich gut ohne großen Aufwand (ohne Signalmodulation) selbst bauen (fertiges Lasermodul und als Empfänger einen einfachen Phototransistor).
  • kein Blindbereich (Kein Mindestabstand zwischen Objekt und Empfänger erforderlich.)

Nachteile

  • Die Lichtschranke ist in freier Natur oft umständlich und zeitaufwendig zu installieren.
  • sehr störanfällig, da der Lichtstrahl bei kleinsten Änderungen der Ausrichtung (z.B. durch Wind oder Erschütterungen) nicht mehr korrekt auf den Empfänger trifft.
  • Manche Aufnahmeperspektiven sind nicht möglich, da immer eine Seite der Lichtschranke (Sender oder Empfänger) im Bild sind.
  • Es muß ein 2. Stativ und ein 2. Kabel verlegt werden.
  • Die Objekterkennung von ca. 0,1mm kann auch sehr störend sein, wenn die Lichtschranke wegen jeder Stechmücke auslöst.
  • Die hohe Lichtintensität des vom Laser erzeugten Lichtflecks auf dem Objekt ist in vielen Fällen (ganz besonders bei Langzeitbelichtungen) später auf dem Foto sichtbar. Nebel in der Luft machen den Laserstrahl sogar dauerhaft sichtbar. Hier wird eine automatische Ausschaltung des Lasers während der Belichtungsdauer erforderlich.

Spiegelreflexlichtschranken

Funktionsprinzip

Sender und Empfänger sind in einem Gehäuse untergebracht und benötigen einen Reflektor zur Funktion.
Wird der Lichtstrahl zwischen Sensor und Reflektor durch ein Objekt unterbrochen, schaltet der Ausgang.
Skizze Reflexlichtschranke ohne Objekt:
Der Lichtstrahl trifft auf den Reflektor und wird auf den Empfänger zurückreflektiert.
Skizze Reflexlichtschranke mit Objekt:
Die beiden Lichtstrahlen werden durch das Objekt unterbochen - Objekt erkannt

Vorteile

  • Bei Laserlichtschranken sind mit geeignetem Reflektor und entsprechender Reflektorgröße höhere Reichweiten von ca. 5m möglich.
  • Bei Laserlicht ist der Lichtfleck zum Einstellen gut sichtbar.
  • Die Lichtschranke lässt sich in freier Natur leichter als eine Einweglichtschranke einstellen, da die Reflektorfläche wesentlich größer ist als die Fläche des Empfängers einer Einweglichtschranke.
  • Je nach Sensortyp (Laserlicht) können Objekte bis 0,25mm über größere Distanzen erkannt werden.
  • Kein 2. Kabel für den Empfänger erforderlich.

Nachteile

  • Manche Aufnahmeperspektiven sind nicht möglich, da immer eine Seite der Lichtschranke (Sender/Empfänger oder Reflektor) im Bild sind.
  • Es muss für den Reflektor ein 2. Stativ oder eine Befestigungsmöglichkeit vorhanden sein.
  • Die Objekterkennung von ca. 0,25mm kann auch (wie bei der Einweglichtschranke) sehr störend sein, wenn die Lichtschranke wegen jeder Kleinigkeit auslöst.
  • Bei Sensoren mit getrennter Sende - und Empfangslinse ist ein Blindbereich von bis zu 20cm vorhanden (Der Abstand zwischen Lichtsensor und Reflektor darf einen Mindestabstand nicht unterschreiten da sonst der reflektierte Lichtstrahl nicht auf die 2. Linse des Empfängers treffen kann.).
  • Die hohe Lichtintensität bei Verwendung einer Laserreflexlichtschranke haben die gleichen ungünstigen Eigenschaften (Laserstrahl auf Foto sichtbar) wie bei der Einweglichtschranke. Die Problembehebung ist hier die automatische Ausschaltung des Lasers während der Aufnahme.

Tipps:

  • Bei Verwendung von größeren Reflektoren wird die Einstellung der Lichtschranke erheblich erleichtert, da eine größere Reflektorfläche leichter mit dem Lichtstrahl zu treffen ist.
  • Die Störanfälligikeit gegen Verstellung der Lichtschranke (Strahl geht am Reflektor vorbei) ist bei einem größeren Reflektor deutlich geringer.

Universalreflextaster

Funktionsprinzip

Sender und Empfänger sind in einem Gehäuse untergebracht.
Diese Sensoren werten das vom Objekt reflektierte Licht aus. Erreicht das Objekt die eingestellte Tastweite, schaltet der Ausgang. Helle Objekte reflektieren das Licht besser als dunkle und können daher in einem größeren Abstand erkannt werden. Im Schrankenbetrieb (Objekt kommt von der Seite in den Lichtstrahl, in einer Entfernung vor dem Lichttaster, in der der Lichttaster das Objekt sicher erkennen kann.) hat die Farbe des Objekts einen unwesentlichen Einfluss auf den Auslösepunkt.
Skizze Lichttaster: Der Lichtsrahl wird vom Objekt reflektiert und vom Empfänger detektiert

Vorteile

  • Sehr schnelle und einfache Installation in freier Natur. Es wird keine zusätzliche Befestigung eines zusätzlichen Reflektors oder eines Empfängers benötigt.
  • Deutlich mehr Möglichkeiten bei den Aufnahmeperspektiven. Der Sensor kann so platziert werden, daß dieser hinter bzw. knapp neben der Kamera steht.
  • Tastbetrieb: Der Lichtstrahl kann direkt auf das Objekt gerichtet sein. Die Auslösung erfolgt durch die Entfernung zum Objekt.
  • Weniger störanfällig gegen Verstellen (der Strahl muss nicht auf eine kleine Fläche eines separaten Empfängers oder Reflektors gerichtet sein.).
  • Im Tastbetrieb kann bei korrekter Entfernungseinstellung zwischen hellen (Ausgang schaltet) und dunklen Objekten in gleichem Abstand unterschieden werden.

Nachteile

  • geringere Reichweite (ca.2m, abhängig von Baugröße bzw. Linsengröße der Empfangsoptik)
  • Bei einem 2-Linsensystem ist ein Mindestabstand zum Objekt erforderlich, um nicht in den Blindbereich zu kommen.
  • Schaltabstand im Tastbetrieb abhängig von der Farbe des Objekts.
  • längere Reaktionszeit (ca. 0,5-1ms)

Reflextaster mit Hintergrundausblendung

Funktionsprinzip

Sender und Empfänger sind in einem Gehäuse untergebracht.
Diese Sensoren werten das vom Objekt reflektierte Licht aus. Erreicht das Objekt die eingestellte Tastweite, schaltet der Ausgang. Die Sensoren arbeiten nach dem Prinzip der Winkelmessung. Daher haben Farbe, Form und Oberflächenbeschaffenheit des Objekts nahezu keinen Einfluss auf die Tastweite. Dunkle Objekte können vor einem hellen Hintergrund sicher erkannt werden.
Skizze Lichttaster: Der Lichtsrahl wird vom Objekt reflektiert und vom Empfänger detektiert

Hintergrundausblendung

Gemessen wird der Winkel zwischen dem ausgesandten und dem rückreflektierten Lichtstrahl nach dem Prinzip der optischen Triangulation. Der Hintergrund und das zu erkennende Objekt strahlen das empfangene Licht unter verschiedenen Winkeln zurück, da sie unterschiedlich weit vom Empfänger entfernt sind. Für den Schaltpunkt des Sensors ist somit nur die Entfernung zum Objekt maßgebend. Wenn der Sensor auf die Entfernung des abzutastenden Objekts eingestellt ist, sind die Gegenstände die sich hinter dem Objekt befinden, optisch ausgeblendet.

elektronische Hintergrundausblendung: Das vom Objekt reflektierte Licht fällt auf eine bestimmte Position des Empfangselements (z.B. PSD oder CMOS Bildsensor). Diese Position wird elektronisch ausgewertet.
Hinweis: Nach dieser Definition dürfte bei der Verwendung dieses Sensortyps der Hintergrund nicht weiter entfernt sein als die maximal messbare und einstellbare Entfernung. Die meisten Sensoren liefern jedoch am Ausgang kein Signal, wenn kein gültiges Messignal zurückkommt. Wodurch die Verwendung des Sensors bei sehr weit entfernten Hintergründen außerhalb des Messbereichs problemlos möglich wird.
elektromechanische Hintergrundausblendung: Das Empfangselement wird mechanisch mit einer außenliegenden Einstellschraube so verschoben, dass der reflektierte Lichtstrahl nur in dem gewünschten Arbeitsbereich (Entfernung zum Objekt) auf die Empfangsdiode fällt.

Vorteile

  • Objektfarbe und Oberflächenbeschaffenheit haben keinen Einfluss auf die Tastweite (Auslösepunkt).
  • Sehr schnelle und einfache Installation in freier Natur. Es wird keine weitere Befestigung eines zusätzlichen Reflektors oder eines Empfängers benötigt.
  • Deutlich mehr Möglichkeiten bei den Aufnahmeperspektiven. Der Sensor kann so platziert werden, daß dieser hinter bzw. knapp neben der Kamera steht.
  • Tastbetrieb: Der Lichtstrahl kann direkt auf das Objekt gerichtet sein. Die Auslösung erfolgt durch die Entfernung zum Objekt.
  • Weniger störanfällig gegen Verstellen (der Strahl muss nicht auf eine kleine Fläche eines separaten Empfängers oder Reflektors gerichtet sein.).

Nachteile

  • geringere Reichweite (ca.2m, abhängig von Baugröße bzw. Linsengröße der Empfangsoptik)
  • Es gibt einen Blindbereich (Siehe Skizze: Minimaler Abstand zum Objekt, in dem das Objekt nicht mehr eindeutig erkannt kann.) Bei Überschreitung der maximalen Entfernung ist das Meßsignal eigentlich ungültig, wird in den meisten Fällen vom Sensor als kein Ausgangssignal bzw. kein Objekt am Ausgang ausgegeben.
  • längere Reaktionszeit (ca. 0,5-1ms)

Auswahl des geeigneten Sensortyps

  • Wenn die Entfernung zum Objekt nicht deutlich größer als 2m und die Auslöseverzögerung nicht kleiner als 0,5ms sein muss ist ein Reflextaster mit Hintergrundausblendung die beste Wahl. Die schnelle Aufbau, die Zuverlässigkeit und die freie Auswahl der Bildperspektive in der freien Natur sind hier unübertroffen.
  • Wenn sehr kleine Störobjekte (z.B. Mücken, kleine Wassertropfen oder Sandkörner) ausgefiltert werden sollen, ist es empfehlenswert auf einen stark fokusierten Laser als Lichtquelle zu verzichten
  • Für sehr kleine Objekte (kleiner 20mm) in der Makrofotografie ist als Lichtquelle für den Sender immer ein Laser zu empfehlen.
  • Ein Kompromiss aus Einstellbarkeit und größerer Reichweite (ganz entscheidend von der Größe und Güte des Reflektors und der Divergenz des Lichtsenders abhängig) ist die Spiegelreflexlichtschranke.
  • Wird eine kurze Schaltzeit von deutlich unter 0,5ms benötigt oder die zu überbrückende Entfernung ist sehr groß, so kann auf die Einweglichtschranke bzw. Laser-Selbtsbaulichtschranke mit all ihren Nachteilen (zeitaufwendige Justage, hohe Empfindlichkeit gegen kleine Fremdkörper, zusätzliches Stativ bzw. präzise Befestigung des separaten Empfängers) nicht verzichtet werden.