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Wie wird das geeignete M12-Objektive für Vision-Applikationen ausgewählt?

Wie wird das geeignete M12-Objektive für Vision-Applikationen ausgewählt?

Ohne Objektiv entsteht kein Bild, sondern nur Bildrauschen. Die Wahl des richtigen Objektivs ist eines der wichtigsten Kriterien, für die Wahl von C-Mounts oder F-Mounts gibt es klassische Faustregeln. Kleinere Sensoren und damit M12-Objektive werden mit der steigenden Nachfrage nach Embedded Vision immer beliebter, da sie die Anforderungen an die Miniaturisierung erfüllen. Allerdings gestaltet sich die Auswahl eines M12-Objektivs oft schwieriger, da das Angebot für Sensoren und Objektive wesentlich umfangreicher ist. Vision-Ingenieure orientieren sich bei der Wahl des optimalen M12-Objektivs am besten an fünf Aspekten.

In den meisten Fällen handelt es sich bei M12-Objektive um Weitwinkel-Modelle, die damit ein ähnliches Sichtfeld (FOV) im Vergleich zu F-Mounts oder C-Mounts erreichen, also zum Beispiel bei kurzen Arbeitsabständen und/oder breiten FOVs. In sehr kleinen Vision-Systemen ist ein breiterer Blickwinkel notwendig, um dasselbe Sichtfeld wie in einem System mit einem C-Mount-Objektiv zu erreichen. Grundsätzlich gibt es nur wenige M12-Teleobjektive. Für quasi jeden Sensor auf dem Markt gibt es eine große Auswahl an M12-Objektiven, auch was die Breite des möglichen Sichtfelds betrifft. Doch in den meisten Fällen gibt es für einzelne Sensorgrößen keine eigenen Produktreihen wie etwa für C-Mount-Objektive. Darüber hinaus hängt die Wahl auch stark von den individuellen Bedingungen des jeweiligen Projekts, von der Anwendungsumgebung, dem eingesetzten Sensor und den speziellen Wünschen des Kunden ab. 

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Sensorgröße – Wie bei jedem anderen Objektiv auch muss als erstes die Sensorgröße betrachtet werden. Der Bildkreis des Objektivs muss die gesamte Sensorgröße abdecken, um die bestmögliche Bildqualität ohne Verschattungen oder Vignettierung zu liefern. Ist der Sensor dagegen kleiner als der Bildkreis des Objektivs, sieht das Sichtfeld „ausgeschnitten“ aus. Je kleiner die Sensorgröße, desto größer das Angebot an M12-Objektiven, insbesondere für Fisheye-Objektive mit einem FOV bis 180° oder 200°. Die Obergrenze für die Größe von Sensoren liegt ohne Modifizierung normalerweise bei 2/3‘‘.

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Abbildung 1: Der Bildkreis des Objektivs muss zur Sensorgröße passen. 

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Sichtfeld – Üblicherweise werden das Sichtfeld (FOV) und der gemessene Arbeitsabstand herangezogen, um die erforderliche Brennweite zu berechnen. Die meisten Berechnungen berücksichtigen eine stereographische Abbildung, während insbesondere Weitwinkel-Objektive oft eine andere Abbildungsart verwenden. Bei M12-Objektiven kann daher das Sichtfelds vielfältige Verzerrung aufweisen. Um unabhängig vom Objektivdesign zu bleiben, muss das Sichtfeld bei einem Weitwinkel- oder Fisheye-Objektiv in Grad und nicht in der gemessenen Brennweite angegeben werden.

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Arbeitsabstand – M12-Objektive sind meist für einen spezifischen Arbeitsabstand optimiert, je nachdem, für welche Anwendung sie bestimmt sind. Objektive für Sicherheits- und Automotive-Anwendungen sind für eine Reichweite von mehr als 0,5 m optimiert. Bei diesen Objektiven kann es zu einer Wölbung im Bild kommen, wenn sie für kürzere Reichweiten eingesetzt werden. Objektive für Nahaufnahmen wie für das Scannen werden dagegen für sehr kleine Arbeitsabstände entwickelt. Fragen und Empfehlungen für zum jeweiligen Anwendungstyp passende Modelle werden in den Datenblättern oder von unabhängigen Experten aufgezeigt.

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Optimierung – Wie unter Punkt 3) erläutert, sind M12-Objektive oft nur für eine spezifische Anwendung und deren Besonderheiten optimiert, während C-Mount-Objektive mehrere mögliche Abbildungsfehler ausgleichen können. Farbfehler sowie Bildwölbung und Verzerrung kommen bei M12- und Weitwinkel-Objektiven häufiger vor, weil sie weniger korrigiert werden. Aus diesem Grund muss je nach Anwendung entschieden werden, welche Abbildungsfehler korrigiert werden sollen und welche akzeptabel für die Bildauswertung sind. Verzerrungen können zum Beispiel in einer Software korrigiert werden, wenn diese vor der Verwendung korrekt kalibriert wird. Sie können aber auch hardwareseitig mit dem zusätzlichen Einsatz einer asphärischen Linse korrigiert werden. Durch diese „Korrekturlinsen“

  • wird das Objektivgehäuse länger;
  • erhöhen sich die Kosten
  • und oft sind diese Linsen aus Kunststoff hergestellt.

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Abbildung 2: Das erste Bild weist eine Verzerrung auf. Das zweite zeigt eine Vignettierung.

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Anwendungsumgebung – Sind Stöße und Vibrationen ein Problem in der Applikation? Sind die Kameras Bewegungen ausgesetzt, wie etwa an Roboterarmen, auf Pferderücken oder bei der Installation an Fahrzeugen? Spielt direkte Sonneneinstrahlung oder die Beleuchtung bei der Wahl des Objektivs eine Rolle? Spezifische Anwendungen benötigen dafür fest eingeklebte Komponenten, zusätzliche Farbfilter oder eine Korrektur der Wellenlänge. In Lesegeräten für Ausweise muss das Objektiv zum Beispiel gleichzeitig mit sichtbarem Licht, Infrarot- sowie UV-Licht umgehen können. Zusätzlich lässt die zwingende Erfassung der gesamten Fläche keinen Spielraum für Verzerrung zu. In Anwendungen für Automotive oder Medizin dagegen sind oftmals ISO-zertifizierte Objektive zwingend vorgeschrieben. In der Robotik ist zumeist die Tiefenschärfe ausschlaggebend und in rauen Umgebungen muss für die Objektivauswahl der minimale und maximale Temperaturbereich beachtet werden.

Fast jeder Hersteller bietet Objektive für bestimmte vertikale Märkte oder individuelle Zwecke an. Bei höheren Einkaufsvolumen können Standardobjektive auch individuell angepasst werden und sind damit eine gute Option für Kunden auf der Suche nach „ihrem“ optimalen M12-Objektiv. Auch wenn das Angebot für M12-Objektive sehr umfangreich ist, bieten die hier gestellten Fragen eine gute Richtlinie für die Wahl des optimalen M12-Objektivs, immer abhängig von der Applikation, spezifischen Bedürfnissen und den gewünschten Ergebnissen.

Unabhängig von der Art der Aufnahme ist das Objektiv immer noch das wichtigste Element, welches entscheidet, wie viele und welche Lichtinformationen auf den Sensor treffen. Aus diesem Grund bildet das optimale Objektiv die Basis für ein erfolgreiches Bildverarbeitungssystem.

 

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