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Industrielle Automation 5/2016

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Industrielle Automation 5/2016

Kamera und Objektiv im

Kamera und Objektiv im Team Worauf es bei der Objektivauswahl ankommt und welche Faktoren berücksichtigt werden müssen Sensoren für professionelle Machine Vision-Anwendungen Theda Ebeling Für ein gutes, scharfes Bild ist nicht nur eine gute Kamera erforderlich, sondern auch das dazu passende Objektiv. Doch woran erkennt man das richtige Objektiv? Es ist gar nicht so schwer, wie es vielleicht scheint. Allerdings sollten bei der Objektivauswahl einige Aspekte beachtet werden. So kann sichergestellt werden, dass Kamera und Objektiv perfekt aufeinander abgestimmt sind und zur Applikation passen. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie das bewerkstelligen können. Theda Ebeling, Product Manager bei der Basler AG in Ahrensburg Die Sensorgröße ist ein entscheidender Faktor für die Objektivauswahl. Früher hatten hochauflösende Flächen- und Zeilenkameras größere Sensoren als Kameras mit geringerer Auflösung. Heute hat sich das geändert. Seit die Sensoren – und mit ihnen ihre Pixel – immer kleiner geworden sind, ist es schwieriger, diese kleinen Pixel aufzulösen. Die Abmessungen von Sensoren sind in keiner Norm festgelegt, sondern ergeben sich aus der Auflösung und der Pixelgröße des Sensors. Theoretisch ist hier so gut wie alles möglich, es ist nur eine Preisfrage. Der Mount der Kamera (der Objektiv- Anschluss) ist der zweite Faktor, der beachtet werden muss. Mounts haben genormte Größen und werden entsprechend dem Schraubgewindetyp des Kameragehäuses bezeichnet. Kamera und Objektiv sollten daher denselben Mount haben. Ein C- Mount zum Beispiel ist der am weitesten verbreitete Mount bei Machine Vision- Kameras und sinnvoll bis zu einer Sensordiagonale von etwa 20 mm – das entspricht einer Sensorgröße von 1,5". Auch CS- und S-Mount-Objektive sind häufig bei Machine Vision-Anwendungen zu finden. Sensoren an Kameralösungen für professionelle Machine Vision-Anwendungen sind über die letzten Jahre immer kleiner geworden – genau wie die Pixel auf diesen Sensoren. Die Bildkreisgrößen an den entsprechenden Objektiven für diese Kameras haben sich jedoch nicht geändert. Das bedeutet, dass der Großteil der heute verwendeten Sensoren kleiner als 1/2" ist, aber mit Objektiven für Machine Vision-Anwendungen mit einem Bildkreis von 2/3" arbeiten muss, da dieser der gebräuchlichste für Machine Vision-Objektive ist. Demzufolge wird ein großer Teil des Bildkreises des Objektivs nicht genutzt. Prinzipiell ist das sogar ein Vorteil, denn durch das größere Objektiv entsteht ein größerer Bildkreis, was bedeutet, dass die Bildhelligkeit von der Mitte zum Rand gleichbleibend ist. Allerdings würde in diesem Fall ein großer Teil des Bildkreises nicht genutzt werden, was einer Geldverschwendung gleich kommt. Denn egal, wie groß der Bildkreis des Objektivs ist, die Größe des Objekts richtet sich nach der Sensorgröße. Je größer der Bildkreis des Objektivs, desto teurer wird es. Bei einem kleineren Sensor bietet sich also ein Objektiv mit einem kleineren Bildkreis, wie zum Beispiel die Basler Lenses, an. Sie sind so konzipiert, dass diese Verschwendung vermieden wird, und sind für Sensoren vorgesehen, die kleiner als 1/2" sind. Voraussetzungen für ein gut auflösendes Bild Ein hochauflösendes Bild kann nur entstehen, wenn Sie auch ein hochauflösendes Objektiv verwenden. Um ein wirklich gut auflösendes Bild zu erhalten, bedarf es mehr als einer hohen Anzahl an Megapixeln. Das Objektiv muss auch in der Lage sein, die Pixelgröße aufzulösen. Die Auflösung eines Objektivs wird in Linienpaaren pro Millimeter angegeben und gibt an, wie viele Linienpaare auf einem Millimeter noch als getrennt voneinander wahrgenommen werden. Je mehr Linienpaare differenziert zu erkennen sind, desto besser ist die Auflösung des Objektivs. Mithilfe der Objektivauflösung lässt sich bestimmen, wie klein die Pixel sein dürfen, um sie noch auflösen zu können. Oft sind bei den Objektiven aber auch die noch auflösbaren Megapixel direkt angegeben. 62 INDUSTRIELLE AUTOMATION 5/2016

Angenommen wir haben einen Sensor mit 5 Megapixeln (MP) Auflösung. Um von der vollen Auflösung profitieren zu können, brauchen wir ein Objektiv, das 5 MP in voller Anzahl auflösen kann. Daher muss die Auflösung des Objektivs zur Pixelgröße des Sensors passen. Die Basler Lenses sind ein gutes Beispiel hierfür: Die 5 MP- Objektive sind für 1/2,5" Sensoren mit einer Auflösung von 2,2 µm (230 lp/mm) optimiert. Die passende Brennweite für die Applikation Der nächste Aspekt, der beachtet werden muss, ist die Brennweite, der Abstand zwischen dem optischen Mittelpunkt eines Objektivs und dem Brennpunkt. Im Brennpunkt schneiden sich alle Lichtstrahlen der parallel einfallenden Lichtstrahlen. Die Brennweite f eines Objektivs ist somit abhängig von der Brechkraft der Linsen und wird in Millimetern angegeben. Je größer die Brennweite, desto größere Tele-Eigenschaften hat das Objektiv. Die riesigen Objektive, die wir von Sportfotografen kennen, haben also deutlich größere Brennweiten als die Objektive an Consumer-Kameras. Weitwinkel- und Fisheye-Objektive haben dementsprechend geringere Brennweiten. Die Brennweite wird von der Sensorgröße, dem Arbeitsabstand und der Objektgröße der Applikation abgeleitet. Die richtige Brennweite für eine Applikation kann mit einem Software-Tool ermittelt werden. fällt mehr Licht auf den Sensor und es ist weniger zusätzliches Licht erforderlich, um ein gutes Bild zu erhalten. Eine kleinere Blendenöffnung kann sowohl Vor- als auch Nachteile haben: Unerwünschte Effekte wie Vignettierung und andere Abbildungsfehler werden reduziert und die Tiefenschärfe wird erhöht. Allerdings sollten Anwender darauf achten, dass nicht zu viel abgeblendet wird. Durch eine zu geringe Blendenöffnung entsteht Beugungsunschärfe. Dabei werden die einfallenden Lichtstrahlen am Rand der Blende abgelenkt, was sich wiederum negativ auf die Bildqualität auswirkt. Daher gibt es für jedes Objektiv eine optimale Blendenzahl, die im Prinzip nichts anderes ist als der Kompromiss aus geringster Beugungsunschärfe und größter Schärfentiefe. Somit muss die Blende entsprechend für die Lichtverhältnisse der jeweiligen Applikation eingestellt werden. www.baslerweb.com Es gibt die optimale Blendenzahl für jedes Objektiv Die Wahl der Blendenöffnung hat direkten Einfluss auf die Bildqualität und die Helligkeit. Die Blendenzahl (engl. F-number) ist das Verhältnis von Brennweite zu Durchmesser der Blendenöffnung und gibt an, wie weit die Blende geöffnet ist. Eine hohe Blendenzahl bedeutet, dass die Blendenöffnung geringer ist und dadurch weniger Licht durch das Objektiv kommt. Wenn die Blende weit geöffnet ist, Die Schärfe eines Bildes hängt von der Auflösung ab: linke Seite zeigt eine hohe Auflösung; die niedrigere Auflösung ist rechts zu sehen NEU 9 MEGAPIXEL MACHINE VISION OBJEKTIVE FÜR SENSOREN BIS 1 ZOLL Für hochentwickelte Bildverarbeitungs- Systeme mit großen Sensoren: RICOH LIVE ERLEBEN AUF DER VISION IN STUTTGART VOM 08-10. NOV ‘16 Halle 1, Stand G15 NEU NEU 12 mm 16 mm 25 mm 35 mm 50 mm 75 mm Brennweiten 12 mm, 16 mm, 25 mm, 35 mm, 50 mm, 75 mm 135 lp/mm bis in die äußersten Bildecken Pixel Pitch 3,69 µm Fixierschrauben Geeignet auch als Messoptik Minimale Verzeichnung für die Aufnahme von hochauflösenden Bildern bis in die äußersten Bildränder. Geeignet als Messoptik für bearbeitete Präzisionsteile. RICOH IMAGING DEUTSCHLAND GmbH Industrial Optical Systems Division Am Kaiserkai 1 20457 Hamburg, Germany Office: +49 (0)40 532 01 33 66 Fax: +49 (0)40 532 01 33 39 E-Mail: iosd@eu.ricoh-imaging.com www.ricoh-mv-security.eu

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