Blendenzahl (F-Number)

Die Blendenzahl (F-Number) ist eine zentrale Kenngröße, die ein optisches System beschreibt. Sie wird als Verhältnis zwischen der Brennweite und dem effektiven Aperturdurchmesser (bzw. der Eintrittspupille) definiert. Ursprünglich aus der Fotografie stammend, spielt die Blendenzahl auch in der Infrarotoptik eine entscheidende Rolle, da sie verschiedene optische Eigenschaften beeinflusst – darunter Tiefenschärfe, optische Auflösung und die Lichtmenge, die den Detektor erreicht. In der Fotografie ist die Blende oft variabel, wodurch sich diese Parameter stark verändern.

Eine kleinere Blendenöffnung, die einer höheren Blendenzahl entspricht, lässt weniger Licht auf den Detektor treffen. Dies kann zu geringeren Bildraten oder höherem Bildrauschen führen. Aufgrund dieses Zusammenhangs zwischen Blendenöffnung und Belichtungszeit (bzw. Bildrate) wird bei hohen F-Werten oft von „langsamen“ und bei niedrigen F-Werten von „schnellen“ Optiken gesprochen.

Wird die Blendenzahl mit √2 multipliziert, halbiert sich die Fläche der Apertur und damit auch die Lichtmenge, die durchgelassen wird. In der Thermografie – etwa bei Pyrometern oder Wärmebildkameras – hat die Blendenzahl einen großen Einfluss auf die thermische Auflösung, die in etwa proportional zu F² ist (NETD ~ F²). Dies verdeutlicht den Einfluss der Blendenzahl sowohl auf die Bildfrequenz als auch auf die thermische Auflösung in Wärmebildsystemen.

Besonders bei langwelligen Infrarotanwendungen (LWIR) mit kleinen Detektoren, beispielsweise 12-µm-Pixeln bei ungekühlten Focal-Plane-Arrays, ist eine niedrige Blendenzahl entscheidend, um eine hohe optische Auflösung und genaue Temperaturmessungen selbst bei kleinen Messzielen zu erreichen. In diesem Fall ist die Blendenzahl der wichtigste Parameter zur Beschreibung der Leistungsfähigkeit einer Infrarotkamera. Ziel ist es, eine beugungsbegrenzte Optik zu erreichen, die ein optimales Strahlungsmuster – die sogenannte Airy-Scheibe – auf dem Detektor erzeugt. Bei einer bestimmten Wellenlänge kann nur eine geringe Blendenzahl den Fleckdurchmesser ausreichend klein halten.

Es ist jedoch zu beachten, dass eine niedrige Blendenzahl auch zu Bildunschärfen und optischen Aberrationen führen kann. Eine niedrige Blendenzahl verbessert das D:S-Verhältnis bzw. die optische Auflösung daher nur dann, wenn das Linsendesign und die Fertigungsqualität der Optik ausreichend hoch sind.

Darüber hinaus beeinflusst die Blendenzahl die Tiefenschärfe, die bei niedrigen F-Werten zunimmt. Dies kann die präzise Temperaturmessung bei unterschiedlichen Distanzen – insbesondere bei kleinen Zielen – erschweren. Eine Fokusnachstellung kann hier Abhilfe schaffen, erfordert jedoch zusätzlichen Aufwand. Daher sollte bei der Auswahl einer Wärmebildkamera stets auch die Tiefenschärfeeigenschaft des jeweiligen Systems berücksichtigt werden.