Herkömmliche Weitwinkelobjektive können eine größere Szene einfangen als Standardobjektive, aber ihr Sichtfeld kann immer noch unzureichend sein, wenn ein Bildverarbeitungssystem einen großen Bereich aus einer eingeschränkten Installationsposition abdecken muss. Dies stellt eine praktische Einschränkung bei maschinellen Bildverarbeitungs-, Sicherheitsüberwachungs-, Panoramabild- und Inspektionssystemen dar, bei denen tote Winkel die Erkennung oder Abdeckung beeinträchtigen können.

Fischaugenobjektive erfüllen diese Anforderung durch ein extrem weites Sichtfeld, üblicherweise etwa 180° oder mehr. Ihre kurzen Brennweiten, die starke nichtlineare Verzerrung und die große Schärfentiefe ermöglichen es, mit einer einzigen Kamera eine wesentlich größere Szene aufzunehmen. Bei der Auswahl eines Fischaugenobjektivs kommt es jedoch nicht nur darauf an, das größtmögliche Sichtfeld auszuwählen. Sensorgröße, Bildkreis, Brennweite, Verzeichnungseigenschaften, Kantenauflösung, Filterkompatibilität und der erforderliche Bildverarbeitungsworkflow beeinflussen alle das Endergebnis.

Für industrielle und wissenschaftliche Anwender ist das Verständnis dieser Zusammenhänge von entscheidender Bedeutung, wenn sie ein Fischaugenobjektiv auswählen oder ein maßgeschneidertes Panoramasichtsystem entwerfen.

Die optischen Eigenschaften von Fischaugenobjektiven verstehen

Das charakteristische Merkmal eines Fischaugenobjektivs ist sein extrem großes Sichtfeld. Abhängig vom optischen Design kann ein Fischaugenobjektiv eine Abdeckung von etwa 180° oder sogar noch mehr bieten, wobei einige Designs einen Bereich von etwa 220° erreichen. Dies ermöglicht einer Kamera die Beobachtung eines großen Bereichs aus einer relativ kompakten Einbauposition.

Die Brennweite hängt eng mit dieser Abdeckung zusammen. Bei Fischaugenobjektiven werden üblicherweise kurze Brennweiten im Bereich von etwa 8–15 mm verwendet, wobei der geeignete Wert stark vom Bildsensorformat und dem erforderlichen Sichtfeld abhängt. Die gleiche Brennweite erzeugt nicht auf jedem Sensor die gleiche Bildabdeckung. Ein größerer Sensor erfasst im Allgemeinen einen größeren Teil des Bildkreises, während das Objektiv einen mit diesem Sensor kompatiblen Bildkreis liefern muss.

Aus diesem Grund sollte das FOV nicht unabhängig von Sensorgröße und Bildkreis bewertet werden. Ein für ein bestimmtes Sensorformat konzipiertes Objektiv kann in Kombination mit einem inkompatiblen Sensor zu Vignettierung oder unvollständiger Bildabdeckung führen.

Fischaugenobjektive führen außerdem absichtlich zu einer starken nichtlinearen Verzerrung. Gerade Linien in der Nähe der Bildränder erscheinen gekrümmt, während Objekte rund um das optische Zentrum im Allgemeinen weniger offensichtliche Verzerrungen aufweisen. Dieses Projektionsverhalten unterscheidet sich grundlegend von herkömmlichen geradlinigen Weitwinkelobjektiven.

Die Verzerrung ist nicht automatisch ein Nachteil. Bei Anwendungen, bei denen eine maximale Szenenabdeckung wichtiger ist als die Aufrechterhaltung einer geradlinigen Geometrie, wie etwa bei der Panoramaüberwachung, kann die Fischaugenprojektion nützliche Informationen liefern, für die andernfalls mehrere Kameras erforderlich wären.

Die Herausforderung entsteht, wenn das aufgenommene Bild für Messungen, Objektlokalisierung, automatisierte Inspektion oder detaillierte Analyse verwendet werden muss. In diesen Fällen verändert die Verzerrung die scheinbare Position und Form von Objekten im Bild. Daher kann eine softwarebasierte oder optische Verzerrungskorrektur erforderlich sein, um das ursprüngliche Fischaugenbild in eine geometrisch sinnvollere Darstellung umzuwandeln.

Eine große Schärfentiefe ist ein weiteres wichtiges Merkmal. Da Fischaugenobjektive normalerweise kurze Brennweiten verwenden, kann ein relativ großer Teil der Szene innerhalb eines akzeptablen Fokus bleiben. Dies ist nützlich, wenn sich Ziele in unterschiedlichen Entfernungen befinden, insbesondere in Überwachungsumgebungen, großen Inspektionsbereichen und komplexen Industrieanlagen.

Wie Fischaugenobjektivfilter und -sensoren die Bildleistung beeinflussen

Ein Fischaugen-Objektivfilter sollte als Teil des optischen Systems und nicht als eigenständiges Zubehör betrachtet werden. Die Filterauswahl kann sich auf die Lichtdurchlässigkeit, die Spektralempfindlichkeit, die Vignettierung und die Kantenbildqualität auswirken, insbesondere bei kompakten Fischaugendesigns, bei denen sich der Einfallswinkel des Lichts zu den Bildrändern hin deutlich ändert.

Für Anwendungen mit sichtbarem Licht kann ein optischer Filter entsprechend dem erforderlichen Wellenlängenbereich, den Umgebungslichtbedingungen oder dem Bildziel ausgewählt werden. In infrarotempfindlichen Systemen können IR-Sperrfilter oder Infrarotkorrekturlösungen erforderlich sein, um unerwünschte Infrarotübertragung zu kontrollieren und konsistentere Farb- oder Fokuseigenschaften aufrechtzuerhalten.

Neben Filter und Objektiv muss auch der Sensor berücksichtigt werden. Die Sensorgröße bestimmt, wie viel vom Objektivbildkreis genutzt wird, während Pixelgröße und Sensorauflösung den Detaillierungsgrad beeinflussen, den das optische System auflösen muss. Ein Fischaugenobjektiv gepaart mit einem hochauflösenden Sensor ist nur dann sinnvoll, wenn das optische Design eine ausreichende Auflösung über den erforderlichen Bildbereich bieten kann.

Käufer sollten daher mehrere Parameter gemeinsam bewerten:

• Sensorgröße: Bestimmt den nutzbaren Bildbereich und beeinflusst das resultierende FOV.

• Brennweite: Beeinflusst die Szenenabdeckung und den Arbeitsabstand.

• Bildkreis: Muss den ausgewählten Sensor ausreichend abdecken, ohne dass es zu einer unzulässigen Vignettierung kommt.

• Blende: Beeinflusst die Lichtsammlung, die Schärfentiefe und die Belichtungsleistung.

• Filtertyp und Spektralbereich: Bestimmt, wie bestimmte Wellenlängen durchgelassen oder unterdrückt werden.

• Montageschnittstelle: Muss den Anforderungen der Kamera und der mechanischen Installation entsprechen.

• Verzerrungseigenschaften: Bestimmt, wie viel geometrische Korrektur erforderlich sein kann.

• Kantenauflösung: Besonders wichtig, wenn Objekte in der Nähe des Bildumfangs Teil des Inspektions- oder Überwachungsziels sind.

Auch die Montage des Filters erfordert Aufmerksamkeit. Abhängig von der optischen Architektur kann der Filter an der Vorderseite des Objektivs, innerhalb der optischen Baugruppe oder über eine kundenspezifische mechanische Schnittstelle positioniert werden. Ein falsch dimensionierter Filter kann zu mechanischen Interferenzen, Vignettierung oder unerwünschten Änderungen im effektiven optischen Pfad führen.

Für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen sollten die Wellenlängenanforderungen vor der Auswahl des Filters definiert werden. Ein System, das für die Bildgebung im sichtbaren Bereich, die Nahinfrarot-Bildgebung oder ein bestimmtes Spektralband konzipiert ist, kann sehr unterschiedliche Filtereigenschaften erfordern. Durch einfaches Hinzufügen eines generischen Filters ohne Berücksichtigung des Übertragungsbereichs des Objektivs und der spektralen Reaktion des Sensors kann sich das nutzbare Signal verringern.

Wofür sind Fischaugenobjektive gut?

Wofür sind Fischaugenobjektive also gut? Ihr Hauptvorteil besteht nicht nur darin, dass sie „Weitwinkel“ sind. Sie sind nützlich, wenn ein System ein sehr großes Sichtfeld aus einer begrenzten Kameraposition erfassen muss und die damit verbundene nichtlineare Projektion berücksichtigen kann.

In der Bildverarbeitung können Fischaugenobjektive verwendet werden, wenn der Inspektionsbereich im Verhältnis zum verfügbaren Kamerainstallationsraum groß ist. Beispielsweise kann eine Produktionslinie, eine große mechanische Montage, ein Lagerbereich oder eine automatisierte Inspektionszone eine umfassendere Sicht erfordern, als ein herkömmliches Objektiv bieten kann. Die große Schärfentiefe kann auch hilfreich sein, wenn Objekte in unterschiedlichen Entfernungen von der Kamera erscheinen.

Allerdings sollten Anwender von Bildverarbeitungssystemen zwischen Abdeckung und Messgenauigkeit unterscheiden. Wenn eine präzise Dimensionsmessung oder geometrische Prüfung des gesamten Bildes erforderlich ist, sind Verzerrungskorrektur und kalibrierte Bildgebung von entscheidender Bedeutung. Ein Fischaugenobjektiv bietet möglicherweise die erforderliche Abdeckung, das System muss jedoch Projektionsverzerrungen während der Bildverarbeitung berücksichtigen.

Bei der Sicherheitsüberwachung kann das Sichtfeld von mehr als 180° tote Bereiche um eine Kamerainstallation reduzieren. Eine einzelne Kamera kann einen großen Innen- oder Außenbereich überwachen, wo sonst mehrere herkömmliche Kameras erforderlich wären. Die geeignete Wahl hängt von der Montagehöhe, der Zielentfernung, der erforderlichen Abdeckung, den Lichtverhältnissen, dem Sensorformat und davon ab, ob das endgültige Bild als unkorrigierte Fischaugenansicht angezeigt oder in ein korrigiertes Panoramabild umgewandelt wird.

Für Panoramaaufnahmen sind Fischaugenobjektive besonders nützlich, da ihre Projektion die Erfassung eines großen Winkelbereichs in einem Bild ermöglicht. Bildkorrektur- und Stitching-Software kann anschließend das Quellbild entsprechend den Anforderungen der Anwendung in eine Panoramadarstellung umwandeln.

Bei der Überwachung komplexer Umgebungen kann die große Schärfentiefe dazu beitragen, den nutzbaren Fokus auf Ziele in unterschiedlichen Entfernungen aufrechtzuerhalten. Dies gilt für Industrieanlagen, große Geräteräume, Transportumgebungen und andere Installationen, bei denen die Kamera nicht in der Nähe jedes Ziels positioniert werden kann.

Für die wissenschaftliche Forschung wird die Objektivauswahl anwendungsspezifischer. Forscher müssen möglicherweise gleichzeitig Wellenlängenbereich, Sensorempfindlichkeit, optische Verzerrung, Spektralfilter, Bildkreis und Kalibrierungsanforderungen berücksichtigen. Ein optisches Fischaugensystem kann nützlich sein, wenn ein großer Winkelbereich beobachtet werden muss und gleichzeitig eine kompakte optische Konfiguration beibehalten werden muss.

So gleichen Sie Sichtfeld und Verzerrung aus

Ein größeres Sichtfeld geht in der Regel mit einer größeren Projektionsverzerrung einher. Bei der Auswahl eines Fischaugenobjektivs kommt es daher grundsätzlich auf ein Gleichgewicht zwischen Szenenabdeckung und geometrischer Wiedergabetreue an.

Wenn die Hauptanforderung eine maximale Abdeckung ist, kann ein 180°- oder breiteres Fischaugendesign erhebliche Vorteile bieten. Wenn die Anwendung jedoch eine genaue Objektpositionierung in der Nähe der Bildränder erfordert, wird die Verzerrungskorrektur zu einem wichtigen Bestandteil des Systemdesigns.

Dies ist besonders wichtig für die maschinelle Bildverarbeitung. Ein Objekt in der Nähe der Mitte und ein identisches Objekt in der Nähe des Randes können aufgrund der Projektionseigenschaften unterschiedliche scheinbare Formen und Maßstäbe annehmen. Durch Kalibrierung und Verzerrungskorrektur können diese Effekte ausgeglichen werden, die Qualität des Endergebnisses hängt jedoch vom ursprünglichen optischen Design sowie vom Korrekturalgorithmus ab.

Die professionelle Entwicklung von Fischaugenobjektiven konzentriert sich daher nicht nur auf die Erzielung eines großen Sichtfelds, sondern auch auf die Kontrolle der Verteilung der Verzerrung im gesamten Bild. Die Optimierung des optischen Designs kann dazu beitragen, nützlichere Bildinformationen im Randbereich zu erhalten, bevor die digitale Korrektur angewendet wird.

Bei einer Sicherheits- oder Panoramakamera sollte der Auswahlprozess mit dem erforderlichen Abdeckungsbereich und nicht nur mit der Objektivspezifikation beginnen. Definieren Sie zunächst das Sensorformat, den Installationsabstand, den Zielbereich, das erforderliche Sichtfeld, die akzeptable Verzerrung, die Beleuchtungsbedingungen und das Ausgabebildformat. Basierend auf diesen Anforderungen kann dann das passende Fischaugen-Design ausgewählt werden.

ECOPTIK Fisheye-Objektiv und optische Anpassung

ECOPTIK erforscht seit 15 Jahren Technologie zur Herstellung optischer Komponenten und bietet maßgeschneiderte optische Lösungen für industrielle und wissenschaftliche Anwendungen. Zu den optischen Fertigungskapazitäten gehören Kuppeloptiken, sphärische Linsen, mikrooptische Komponenten, zylindrische Spiegel, Filter, Prismen und optische Fenster.

Für Fischaugen- und Panoramasichtanwendungen bietet ECOPTIK Fischaugenobjektive und Panoramasichtlösungen in Industriequalität für maschinelles Sehen, Sicherheitsüberwachung und fortgeschrittene wissenschaftliche Anwendungen. Sein Ansatz kombiniert Linsendesign, Verzerrungskorrektur, Sensoranpassung und Anpassung entsprechend der beabsichtigten Bildumgebung.

Zu den Materialoptionen gehören optisches Glas von Schott, CDGM und Corning sowie Saphir, CaF₂, MgF₂, Quarzglas, Silizium, ZnSe und ZnS. Für Projekte, die eine integrierte optische Lösung erfordern, stehen auch Linsenmontagedienste zur Verfügung.

Zur Qualitätsüberprüfung und optischen Charakterisierung verwendet ECOPTIK Geräte wie ZYGO-Laserinterferometer, ZEISS CMM Spectrum und Agilent Cary 7000 UMS. Diese Instrumente unterstützen dimensionale, interferometrische und spektrale Tests und können zur Erstellung von Produktberichten für kundenspezifische optische Komponenten verwendet werden.

Für B2B-Käufer ist die entscheidende Frage daher nicht nur, ob ein Fischaugenobjektiv ein Sichtfeld von 180° oder mehr bietet. Die wichtigere Frage ist, ob Brennweite, Sensorkompatibilität, Bildkreis, Verzerrungsprofil, Schärfentiefe, Filterkonfiguration und Kantenauflösung den tatsächlichen Bildanforderungen entsprechen.

Ein richtig abgestimmtes optisches Fischaugensystem kann eine breite Szenenabdeckung bieten und gleichzeitig nutzbare Bildinformationen für automatisierte Inspektion, Sicherheitsüberwachung, Panoramabildgebung und spezielle Forschungsanwendungen beibehalten.