19. JULI 2018

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Robotik: 5 Aspekte zur Auswahl des passenden M12-Objektivs


In den meist vollständig integrierten und miniaturisierten Embedded Vision System der Robotik spielen kleine M12-Objektive eine wichtige Rolle. Im Gegensatz zu C- oder F-Mounts gibt es für die Wahl des passenden M12-Objektivs keine klassischen Faustregeln, da das Angebot an Sensoren und Objektive wesentlich umfangreicher ist. Ingenieure orientieren sich am besten an den folgenden fünf Aspekten.

Kameras dienen modernen Robotern als Augen und ermöglichen mit intelligenten Bildverarbeitungstechnologien eine präzise Erkennung und eine sichere Zusammenarbeit von Mensch und Maschine. Ohne Objektiv entsteht kein Bild, sondern nur Rauschen.

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 Robotik-Systemen ist ein breiterer Blickwinkel notwendig, um mit dem Vision-System dasselbe Sichtfeld wie mit einem C-Mount-Objektiv zu erreichen. Grundsätzlich gibt es nur eine geringe Auswahl an M12-Teleobjektive. Zwar gibt es quasi für jeden Sensor auf dem Markt M12-Objektive, sogar 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 Robotik-Projekts, von der Anwendungsumgebung, dem eingesetzten Sensor und den speziellen Wünschen des Kunden ab.

1. 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‘‘.

2. 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.

3. Arbeitsabstand – M12-Objektive sind meist für einen spezifischen Arbeitsabstand optimiert, je nachdem, für welche Anwendung sie bestimmt sind. Objektive für Sicherheits-Anwendungen sind für eine Reichweite von mehr als 0,5 m optimiert, diese können auch für spezifische Aufgaben in der Robotik eingesetzt werden. 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 zur Anwendung passende Modelle werden meist in den Datenblättern aufgezeigt. Für individuelle Handlungsempfehlungen in der Robotik helfen auch unabhängige Experten bei der Auswahl unter verschiedenen Herstellern.

4. Optimierung – M12-Objektive sind 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 konkreter robotischer Anwendung entschieden werden, welche Abbildungsfehler korrigiert werden sollen und welche akzeptabel für die Bildauswertung und die Arbeit des Roboters 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. Oft ist das aber für die Robotik ungeeignet, da durch diese „Korrekturlinsen“
a. das Objektivgehäuse länger wird;
b. sich die Kosten erhöhen
c. und die Linsen oft aus Kunststoff hergestellt sind.

5. Anwendungsumgebung – Stöße und Vibrationen sind oft ein Problem in der Robotik, die Kameras sind oft Bewegungen ausgesetzt, wie etwa an Roboterarmen. Zusätzlich 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 speziellen Umgebungen muss das Objektiv zum Beispiel gleichzeitig mit sichtbarem Licht, Infrarot- sowie UV-Licht umgehen können. Zusätzlich lässt eventuell die notwendige Erfassung des gesamten Blickfeldes keinen Spielraum für Verzerrung zu. In Anwendungen für Automotive oder Medizin sind oftmals auch 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 Robotik-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 in der Robotik.

Datum:
26.03.2018
Unternehmen:
Bilder:
Framos
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