In der industriellen Bildverarbeitung wirkt sich die Objektivauswahl direkt darauf aus, ob eine Kamera Bilder erzeugen kann, die stabil genug für Messungen, Inspektionen und Erkennungen sind. Ein Verbraucherobjektiv oder ein ungeeignetes Zoomobjektiv kann zu Veränderungen im Sichtfeld, Fokus, Vergrößerung oder Verzerrung führen, wenn sich die Fokuseinstellung ändert. Diese Schwankungen können die Kalibrierung erschweren und die Messkonsistenz im Dauerbetrieb verringern.

Ein Objektiv mit fester Brennweite ist auf eine bestimmte optische Konfiguration ausgelegt und nicht auf eine kontinuierliche Änderung der Brennweite. Wenn Brennweite, Sensorformat, Arbeitsabstand und erforderliches Sichtfeld richtig aufeinander abgestimmt sind, kann das Objektiv eine wiederholbare Abbildungsgeometrie für automatisierte Inspektionen, Präzisionsmessungen, Robotersicht und Objekterkennung liefern.

Für Industriekäufer sollte die Auswahl eines Festbrennweitenobjektivs jedoch nicht allein beim Preis beginnen. Brennweite, Sensorgröße, Auflösung, Verzerrung, Blende, Arbeitsabstand, optische Beschichtung, mechanische Schnittstelle und Anpassungsanforderungen beeinflussen alle sowohl die Abbildungsleistung als auch den endgültigen Preis für ein Festbrennweitenobjektiv.

Warum die feste Brennweite in der industriellen Bildverarbeitung wichtig ist

Ein Festbrennweitenobjektiv ist für eine definierte Brennweite optimiert. Dadurch ist es möglich, das optische System für einen bestimmten Bereich an Arbeitsabständen, Sensorformaten, Bildkreisen und Sichtfeldanforderungen zu entwerfen.

Beispielsweise muss eine Inspektionskamera möglicherweise ein 100 mm breites Bauteil aus einem festen Installationsabstand abdecken. Anstatt sich bei der Anpassung des Bildes auf einen Zoommechanismus zu verlassen, kann basierend auf dem Kamerasensor und dem erforderlichen Sichtfeld eine geeignete Festbrennweite ausgewählt werden. Nach der Installation und Kalibrierung bleibt die optische Geometrie konsistent.

Dies ist besonders nützlich in automatisierten Prüflinien, in denen Kameras wiederholt Komponenten in ähnlichen Positionen prüfen.

Der entscheidende Punkt ist, dass eine feste Brennweite nicht bedeutet, dass das Objektiv nur in einer physischen Entfernung verwendet werden kann. Für unterschiedliche Arbeitsabstände und Zielgrößen stehen unterschiedliche Festbrennweiten zur Verfügung. Eine kürzere Brennweite bietet im Allgemeinen ein breiteres Sichtfeld, während eine längere Brennweite ein engeres Sichtfeld bietet, wenn Kameraposition und Sensor ansonsten vergleichbar sind.

Diese Beziehung ermöglicht es Bildverarbeitungsingenieuren, ein Objektiv entsprechend der tatsächlichen Prüfgeometrie auszuwählen, anstatt die Brennweite als isolierte Spezifikation zu betrachten.

So wählen Sie ein Objektiv mit fester Brennweite aus

Die wichtigsten Parameter sollten als angeschlossenes optisches System bewertet werden.

Brennweite, Sensorgröße und Sichtfeld

Die Brennweite bestimmt den Winkelbereich des Objektivs, während die Sensorgröße bestimmt, wie viel des projizierten Bildes von der Kamera erfasst wird.

Eine nützliche vereinfachte Beziehung ist:

FOV ≈ Sensorabmessung × Arbeitsabstand / Brennweite

Dies ist keine vollständige optische Designgleichung, sie veranschaulicht jedoch die Auswahllogik. Bei gleichem Sensor und gleichem Arbeitsabstand verringert sich mit zunehmender Brennweite im Allgemeinen das Sichtfeld. Eine Verringerung der Brennweite erhöht im Allgemeinen die Abdeckung.

Stellen Sie sich eine Fabrikautomatisierungsanwendung vor, bei der eine Kamera eine relativ große Komponente innerhalb einer begrenzten Montageposition prüfen muss. Um das gesamte Ziel zu erfassen, ist möglicherweise eine kürzere Brennweite erforderlich. Bei einer Präzisionsmessanwendung, bei der das Objekt kleiner ist und die Kamera weiter entfernt installiert ist, kann eine längere Brennweite einen geeigneteren Bildmaßstab liefern.

Daher lautet die richtige Frage nicht einfach: „Welche Brennweite ist besser?“ Es ist:

Welche Brennweite erzeugt das erforderliche Sichtfeld im verfügbaren Arbeitsabstand und bietet gleichzeitig eine ausreichende Auflösung und eine akzeptable Verzerrung für den ausgewählten Sensor?

Arbeitsabstand und Einbaugeometrie

Der Arbeitsabstand ist bei automatisierten Anlagen besonders wichtig, da der verfügbare Einbauraum oft vorbestimmt ist.

Ein Objektiv, das ohne Berücksichtigung des Arbeitsabstands ausgewählt wird, kann eine Neupositionierung der Kamera erfordern, das erforderliche Sichtfeld verändern oder die Integration der Beleuchtung erschweren.

Für Robotersicht und automatisierte Inspektion sollte daher das Objektiv zusammen mit der Kameraposition, den Objektabmessungen, der Beleuchtungsanordnung und der mechanischen Montagestruktur bewertet werden.

Auflösung und Kameraanpassung

Hochauflösende Kameras liefern nicht automatisch hochauflösende Prüfergebnisse.

Das Objektiv muss ausreichend räumliche Details für den Kamerasensor auflösen. Wenn die optische Auflösung unzureichend ist, kann eine Erhöhung der Pixelzahl der Kamera nur begrenzte praktische Verbesserungen bringen, da das Objektiv zum Engpass in der Bildgebungskette wird.

Dies ist besonders wichtig für Präzisionsmessungen, die Prüfung elektronischer Komponenten, die Maßprüfung und die Prüfung feiner Oberflächen.

Eine ordnungsgemäße Bewertung sollte daher Folgendes berücksichtigen:

• Sensorauflösung

• Pixelgröße

• Optische Auflösung des Objektivs

• Ziel-Feature-Größe

• Erforderliche Messgenauigkeit

• Arbeitsabstand

• Beleuchtungsbedingungen

Das Ziel besteht darin, die optische Auflösung des Objektivs an die tatsächliche Leistungsfähigkeit der Kamera anzupassen, anstatt eine Kamera mit hohen Megapixeln auszuwählen und davon auszugehen, dass das Gesamtsystem automatisch höhere Details liefert.

Verzerrung und Messgenauigkeit

Die Verzerrung wird noch wichtiger, wenn das Objektiv zur Maßprüfung verwendet wird.

Tonnen- oder Kissenverzerrungen können die scheinbare Position von Merkmalen im Bild verändern. Bei der Objekterkennung kann je nach Anwendung eine gewisse Verzerrung akzeptabel sein. Für Präzisionsmessungen wird die Verzerrungskontrolle jedoch viel wichtiger, da sich die Bildgeometrie direkt auf die Messergebnisse und die Kalibrierung auswirkt.

Aus diesem Grund sollte ein Objektiv für Präzisionsmessungen anders bewertet werden als ein Objektiv für die allgemeine Objekterkennung.

Blende und Schärfentiefe

Die Blende beeinflusst sowohl die Lichtdurchlässigkeit als auch die Schärfentiefe. Eine größere Blende ermöglicht, dass mehr Licht den Sensor erreicht, verringert jedoch im Allgemeinen die Schärfentiefe. Eine kleinere Blende kann den Bereich der Objektpositionen vergrößern, die akzeptabel fokussiert bleiben, verringert jedoch auch die Lichtmenge, die den Sensor erreicht.

Bei der automatisierten Inspektion ist die Schärfentiefe von Bedeutung, wenn die Zieloberfläche nicht vollkommen flach ist oder wenn die Bauteilhöhe während der Produktion variiert.

Beispielsweise erfordert ein Oberflächenprüfsystem, das Teile mit unterschiedlichen Höhen untersucht, möglicherweise eine ausreichende Schärfentiefe, um relevante Merkmale innerhalb eines akzeptablen Fokus zu halten. Im Gegensatz dazu legt ein Präzisionsmesssystem mit kontrollierter Objektposition möglicherweise mehr Wert auf Auflösung und Verzerrung als auf einen großen Tiefenschärfebereich.

Die richtige Blende wird also durch das Zusammenspiel von Beleuchtung, Belichtung, erforderlicher Schärfentiefe, Sensorleistung und optischer Auflösung bestimmt.

Anwendungen von Objektiven mit fester Brennweite in der maschinellen Bildverarbeitung

Verschiedene industrielle Anwendungen legen unterschiedliche Prioritäten auf optische Parameter.

Die Fabrikautomatisierung erfordert oft eine wiederholbare Bildgebungsgeometrie und Kompatibilität mit festen Kameramontagepositionen. Ein richtig ausgewähltes Objektiv mit fester Brennweite kann die Kalibrierung vereinfachen und eine konstante Vergrößerung über sich wiederholende Inspektionszyklen hinweg aufrechterhalten.

Automatisierte Inspektionen erfordern typischerweise ein Gleichgewicht zwischen Auflösung, Sichtfeld, Verzerrung und Schärfentiefe. Das Objektiv muss den erforderlichen Inspektionsbereich erfassen und gleichzeitig genügend Details für die Fehlererkennung beibehalten.

Bei der Präzisionsmessung wird mehr Wert auf Verzerrung, Auflösung, geometrische Konsistenz und Kameraanpassung gelegt. Ein Objektiv mit einem weiten Sichtfeld ist möglicherweise nicht geeignet, wenn dadurch die für die Dimensionsbewertung erforderliche Abbildungsskala oder Verzerrungsleistung beeinträchtigt wird.

Für die Robotersicht ist möglicherweise eine Kombination aus Arbeitsabstand, Sichtfeld, Schärfentiefe und mechanischer Kompatibilität erforderlich, da Kamera und Objektiv möglicherweise auf einem sich bewegenden Robotersystem montiert sind.

Bei der Objekterkennung kann je nach Erkennungsalgorithmus und Zieleigenschaften mehr Wert auf eine ausreichende Bildabdeckung und einen stabilen Kontrast als auf eine extrem geringe Verzerrung gelegt werden.

Diese Unterschiede zeigen, warum es kein allgemeingültiges „bestes“ Festbrennweitenobjektiv gibt. Die entsprechende Spezifikation hängt von den optischen und mechanischen Gegebenheiten des Bildverarbeitungssystems ab.

Was bestimmt den Preis einer Festbrennweite?

Der Preis für Festbrennweitenlinsen kann zwischen Produkten, die von außen ähnlich aussehen, erheblich variieren. Der Hauptgrund liegt darin, dass sich der Preis für Industrieobjektive nicht allein nach der Brennweite richtet.

Sensorformat

Ein Objektiv, das einen größeren Sensor abdecken soll, erfordert einen ausreichend großen Bildkreis und ein optisches Design, das die Leistung über diesen Bildbereich hinweg aufrechterhalten kann. Die Unterstützung eines größeren Sensorformats kann daher die optische Komplexität und die Herstellungsanforderungen erhöhen.

Auflösung und Verzerrungskontrolle

Eine höhere optische Auflösung und strengere Verzerrungsanforderungen erfordern im Allgemeinen eine präzisere optische Gestaltung, Komponentenherstellung, Montage und Inspektion.

Bei hochauflösenden Inspektionssystemen kann es sinnvoller sein, für ein Objektiv mit geeigneter optischer Leistung zu bezahlen, als einfach das kostengünstigste Objektiv auszuwählen. Wenn das Objektiv den Kamerasensor nicht vollständig ausnutzen kann, bleibt möglicherweise ein Teil des Auflösungsvermögens der Kamera ungenutzt.

Blende und Arbeitsabstand

Eine größere Blende, ein spezieller Arbeitsabstand oder ungewöhnliche Sichtfeldanforderungen erfordern möglicherweise eine zusätzliche optische Optimierung. Diese Spezifikationen können sich sowohl auf das Linsendesign als auch auf die Herstellungskosten auswirken.

Montage- und mechanische Anforderungen

Gemeinsame Schnittstellen können die Integration vereinfachen, während kundenspezifische mechanische Abmessungen, Montagestrukturen, Gewindekonfigurationen oder Umgebungsanforderungen die Entwicklungs- und Herstellungskosten erhöhen können.

Optische Materialien, Beschichtungen und Anpassung

Die Auswahl des optischen Glases, die Anforderungen an die Beschichtung, der Spektralbereich und kundenspezifische optische Konfigurationen können sich ebenfalls auf die Preisgestaltung auswirken. Es ist nicht zu erwarten, dass ein Standard-Produktionsobjektiv und ein Objektiv, das für eine bestimmte Kamera, ein bestimmtes Sichtfeld, einen bestimmten Arbeitsabstand oder ein Inspektionsziel entwickelt wurde, die gleiche Kostenstruktur aufweisen.

Für Beschaffungsteams ist der sinnvollere Vergleich daher nicht einfach:

Objektiv A kostet weniger als Objektiv B.

Bewerten Sie stattdessen:

Kompatibilität von Objektiv + Kamera + Beleuchtung + Montage + Kalibrierung + erforderliche optische Leistung

Dies bietet einen realistischeren Überblick über die Gesamtkosten des Bildverarbeitungssystems.

ECOPTIK: Maßgeschneiderte optische Lösungen für die industrielle Bildverarbeitung

ECOPTIK bietet industrielle Objektive mit festem Fokus und maßgeschneiderte optische Lösungen für Bildverarbeitungsanwendungen, bei denen Abbildungsgeometrie, Auflösung, Verzerrung und Kamerakompatibilität zusammen berücksichtigt werden müssen.

Mit 15 Jahren Erfahrung in der Technologie zur Herstellung optischer Komponenten stellt ECOPTIK Präzisionsoptiken her, darunter Kuppellinsen, sphärische Linsen, mikrooptische Komponenten, zylindrische Spiegel, Filter, Prismen und Fenster. Zu den verfügbaren Materialien gehören Glas von Schott, CDGM und Corning sowie Saphir, CaF₂, MgF₂, Quarzglas, Si, ZnSe und ZnS. Das Unternehmen bietet auch Linsenmontagedienstleistungen an.

Für die optische Verifizierung und Produktberichterstattung verwendet ECOPTIK Geräte wie ZYGO-Laserinterferometer, ZEISS CMM Spectrum und Agilent Cary 7000 UMS.

Für Kunden der industriellen Bildverarbeitung unterstützt diese Fertigungs- und Testfunktion einen individuelleren Ansatz bei der Entwicklung von Objektiven mit festem Fokus. Anstatt ein Objektiv nur nach Brennweite oder Katalogpreis auszuwählen, kann die optische Konfiguration entsprechend der Zielanwendung berücksichtigt werden, einschließlich Sensorgröße, Sichtfeld, Arbeitsabstand, Auflösung, Verzerrung, Blende und mechanischer Integration.

Die richtige Entscheidung für ein Objektiv mit fester Brennweite treffen

Bei der Auswahl eines Objektivs mit fester Brennweite geht es letztlich darum, die optischen Parameter an die eigentliche Bildverarbeitungsaufgabe anzupassen.

Beginnen Sie mit der Zielgröße und dem erforderlichen Sichtfeld und bestimmen Sie dann den verfügbaren Arbeitsabstand und die Sensorgröße. Wählen Sie dort eine geeignete Brennweite aus und prüfen Sie, ob die Objektivauflösung mit dem Kamerasensor übereinstimmt. Bewerten Sie als Nächstes Verzerrung, Blende, Schärfentiefe, mechanische Halterung und Lichtverhältnisse entsprechend dem Inspektionsziel.

Für die Beschaffung gilt das gleiche Prinzip für den Preis von Festbrennweitenlinsen. Ein niedrigerer Anfangspreis eines Objektivs stellt möglicherweise keine geringeren Systemkosten dar, wenn das Objektiv zu Auflösungsbeschränkungen, Kalibrierungsschwierigkeiten, übermäßiger Verzerrung oder Kamerakompatibilitätsproblemen führt.

Für automatisierte Inspektionen, Präzisionsmessungen, Roboter-Vision und Fabrikautomatisierung ist das praktischste Festbrennweitenobjektiv dasjenige, dessen optisches Design zum gesamten Bildgebungssystem passt – und nicht einfach dasjenige mit dem niedrigsten Anschaffungspreis.