In Machine-Vision-Anwendungen werden in der Regel Objektive mit fester Brennweite eingesetzt. Bei diesen Objektiven besteht ein klar definierter Zusammenhang zwischen Brennweite, Arbeitsabstand und Bildfeld. Sobald der optische Aufbau festgelegt ist, bleiben diese Parameter reproduzierbar und gut vorhersehbar.
Ein Zoomobjektiv funktioniert anders, da sich seine Brennweite verändern lässt. Dadurch kann das Bildfeld angepasst werden, ohne die Position der Kamera zu verändern. Das ist besonders bei Testaufbauten oder Anwendungen praktisch, bei denen die Montageposition der Kamera bereits feststeht. Für präzise industrielle Inspektions- und Messaufgaben ist ein Zoomobjektiv jedoch nicht immer die beste Wahl.
Bildfeld und Arbeitsabstand bei einem Objektiv mit fester Brennweite
Bei einem Festbrennweitenobjektiv ist die Brennweite fest vorgegeben und kann nicht verändert werden. Das resultierende Bildfeld, auch Field of View oder FOV genannt, wird durch mehrere Parameter des optischen Aufbaus bestimmt. Die wichtigsten Einflussgrößen sind:
die Sensorgröße der Kamera;
die Brennweite des Objektivs;
der Arbeitsabstand zwischen Objektiv und Prüfobjekt.
Dieser Objektivtyp verfügt normalerweise über zwei Einstellmöglichkeiten. Über die Blende wird die Lichtmenge geregelt, die den Kamerasensor erreicht; gleichzeitig beeinflusst die Blendeneinstellung die verfügbare Schärfentiefe. Mit dem Fokusring wird das Bild bei dem gewählten Arbeitsabstand scharfgestellt.
Soll mit derselben Kamera und demselben Objektiv ein größeres Bildfeld erfasst werden, muss in der Regel der Arbeitsabstand vergrößert werden. Das Prüfobjekt wird dadurch kleiner auf dem Kamerasensor abgebildet. Ein einzelnes Pixel repräsentiert anschließend eine größere Fläche auf dem Objekt, wodurch sich die objektseitige Pixelauflösung verringert.
Für ein kleineres Bildfeld und eine höhere Pixelauflösung wird die Kamera dagegen näher am Prüfobjekt positioniert. Dadurch stehen für dasselbe Merkmal oder denselben Defekt mehr Pixel zur Verfügung. Dies ist jedoch nur möglich, wenn der minimale Arbeitsabstand und der Fokusbereich des verwendeten Objektivs dies zulassen.
Ein wesentlicher Vorteil eines Festbrennweitenobjektivs ist seine Reproduzierbarkeit. Solange Kameraposition, Arbeitsabstand und Objektiveinstellungen unverändert bleiben, bleiben auch Bildfeld und Pixelauflösung konstant. Damit entsteht eine stabile optische Grundlage für Inspektions- und Messanwendungen.
Wie funktioniert ein Zoomobjektiv?
Neben Blende und Fokus verfügt ein Zoomobjektiv über eine dritte Einstellmöglichkeit. Mit dem Zoomring wird die Brennweite des Objektivs verändert. Dadurch lassen sich der Abbildungsmaßstab und das Bildfeld mechanisch an die jeweilige Anwendung anpassen.
Auf diese Weise kann bei gleichbleibendem Arbeitsabstand ein größeres oder kleineres Bildfeld eingestellt werden. Die Kamera muss dafür nicht neu positioniert werden. Genau diese Flexibilität ist einer der wesentlichen Vorteile eines Zoomobjektivs bei Versuchsaufbauten, Inbetriebnahmen und Machbarkeitstests.
Wird die Zoomeinstellung verändert, ändern sich mehrere optische Parameter gleichzeitig. Diese Parameter stehen unmittelbar mit dem Abbildungsmaßstab auf dem Kamerasensor und damit auch mit der Auflösung am Prüfobjekt in Zusammenhang. Dazu gehören:
die effektive Brennweite;
das Bildfeld;
der Abbildungsmaßstab;
die objektseitige Pixelauflösung.
Nach einer Änderung der Zoomeinstellung kann es erforderlich sein, das Objektiv erneut zu fokussieren. Ob dies notwendig ist, hängt von der optischen und mechanischen Konstruktion des jeweiligen Objektivs ab. Nach jeder Änderung der Brennweite sollte die Bildschärfe deshalb überprüft werden.
Wie beeinflusst ein Zoomobjektiv die Pixelauflösung?
Die Pixelauflösung beschreibt, welcher Bereich des Prüfobjekts durch ein einzelnes Kamerapixel dargestellt wird. In horizontaler Richtung wird sie berechnet, indem die Breite des Bildfeldes durch die Anzahl der horizontalen Pixel des Kamerasensors geteilt wird. Das Ergebnis wird üblicherweise in Millimetern pro Pixel angegeben.
Pixelauflösung = Bildfeld ÷ Anzahl der Pixel
Als Beispiel betrachten wir eine Kamera mit 2.448 horizontalen Pixeln und einem horizontalen Bildfeld von 100 mm. Jedes Pixel der Kamera repräsentiert damit eine bestimmte Breite auf dem Prüfobjekt. Daraus ergibt sich folgende Pixelauflösung:
100 mm ÷ 2.448 Pixel = 0,0408 mm pro Pixel
Wird das horizontale Bildfeld mit derselben Kamera und demselben Zoomobjektiv auf 50 mm verkleinert, bleibt die Anzahl der verfügbaren Kamerapixel unverändert. Die 2.448 Pixel verteilen sich jetzt jedoch auf einen kleineren Bereich des Prüfobjekts. Daraus ergibt sich folgende Pixelauflösung:
50 mm ÷ 2.448 Pixel = 0,0204 mm pro Pixel
Der durch ein einzelnes Pixel dargestellte Bereich wird damit von 0,0408 auf 0,0204 mm pro Pixel halbiert. Ein Merkmal gleicher physischer Größe wird nun mit doppelt so vielen Pixeln abgebildet, wodurch mehr Bildinformation für die Auswertung zur Verfügung steht. Gleichzeitig erfasst die Kamera jedoch nur noch die Hälfte des ursprünglichen Bildfeldes.
Genau deshalb darf die Zoomeinstellung eines Inspektionssystems nicht unkontrolliert verändert werden. Mit einer Änderung des Bildfeldes ändert sich gleichzeitig das Verhältnis zwischen Pixeln und realen Abmessungen in Millimetern. Alle Prüfparameter, die von diesem Abbildungsmaßstab abhängig sind, müssen gegebenenfalls neu angepasst oder kalibriert werden.
Einsatz eines Zoomobjektivs in einem Testaufbau
Beim Aufbau eines Machine-Vision-Testsystems sind das erforderliche Bildfeld, der optimale Arbeitsabstand und die benötigte Pixelauflösung häufig noch nicht endgültig bekannt. Ein Zoomobjektiv ermöglicht es, verschiedene optische Konfigurationen zu testen, ohne jedes Mal ein anderes Objektiv montieren oder die Kamera mechanisch neu positionieren zu müssen. Dadurch lässt sich insbesondere die erste Machbarkeits- und Evaluierungsphase deutlich vereinfachen.
Die Kamera kann zunächst in einer mechanisch sinnvollen Position montiert werden. Anschließend wird mit dem Zoomring das erforderliche Bildfeld eingestellt und danach der Fokus angepasst. Auf diese Weise kann während der Tests ermittelt werden, welche Kombination aus Bildfeld, Arbeitsabstand und Pixelauflösung für die jeweilige Anwendung am besten geeignet ist.
Zoomobjektive sind deshalb besonders in Entwicklungs-, Test- und Evaluierungsumgebungen sinnvoll, in denen die endgültigen optischen Parameter noch nicht feststehen. Sie bieten in dieser Phase eine hohe Flexibilität und können beispielsweise für folgende Aufgaben eingesetzt werden:
Machbarkeitsuntersuchungen;
Machine-Vision-Demonstrationen;
Laboraufbauten;
die Bestimmung einer geeigneten Brennweite;
temporäre Kameraaufbauten;
Tests mit unterschiedlichen Produktgrößen.
Sobald das endgültige Bildfeld und der erforderliche Arbeitsabstand feststehen, sind auch die optischen Anforderungen wesentlich genauer definiert. Für die endgültige Installation kann anschließend ein Festbrennweitenobjektiv mit der passenden Brennweite ausgewählt werden. Dadurch bleibt die während der Tests ermittelte optische Konfiguration erhalten, während gleichzeitig eine höhere Reproduzierbarkeit erreicht wird.
Warum ein Zoomobjektiv nicht immer für industrielle Inspektionen geeignet ist
In industriellen Umgebungen können Kameras und Objektive Vibrationen, mechanischen Stößen und Temperaturschwankungen ausgesetzt sein. Unter diesen Bedingungen können sich Fokus-, Blenden- oder Zoomring mit der Zeit verstellen, wenn sie nicht ausreichend mechanisch gesichert sind. Bereits kleine Veränderungen können den optischen Aufbau und damit das Ergebnis der Bildverarbeitung beeinflussen.
Besonders kritisch ist eine Veränderung der Zoomeinstellung, da sie sowohl das Bildfeld als auch die Pixelauflösung beeinflusst. Die Bildverarbeitungssoftware arbeitet anschließend mit einem anderen Abbildungsmaßstab als bei der ursprünglichen Einrichtung oder Kalibrierung. Dies kann sich unmittelbar auf Messungen, Prüfbereiche und Defektschwellen auswirken.
Abhängig von der jeweiligen Inspektionsaufgabe kann eine Änderung des Abbildungsmaßstabs unterschiedliche Auswirkungen haben. Manche Abweichungen führen unmittelbar zu falschen Messergebnissen, während andere die Zuverlässigkeit der Fehlererkennung schleichend reduzieren können. Typische Folgen sind:
Maßprüfungen stimmen nicht mehr mit den kalibrierten Werten überein;
Prüf- und Suchbereiche befinden sich nicht mehr an der korrekten Position;
in Pixeln definierte Toleranzen entsprechen anderen realen Abmessungen;
kleine Defekte werden mit mehr oder weniger Pixeln dargestellt;
die Inspektion muss erneut eingerichtet und kalibriert werden.
Viele industrielle Zoomobjektive verfügen deshalb über Feststellschrauben, mit denen sich die Einstellringe nach dem Einrichten fixieren lassen. Bei einigen Objektiven stehen mehrere Arretierungspunkte pro Einstellring zur Verfügung, um die mechanische Stabilität zusätzlich zu erhöhen. Dadurch wird das Risiko einer unbeabsichtigten Verstellung während des Betriebs deutlich reduziert.
Feststellschrauben reduzieren die Wahrscheinlichkeit einer unbeabsichtigten Veränderung erheblich, können die zusätzliche mechanische Empfindlichkeit des Zoommechanismus jedoch nicht vollständig beseitigen. In der Praxis bleibt die Zoomeinstellung ein kritischerer Parameter als Fokus oder Blende, wenn der Abbildungsmaßstab konstant bleiben muss. Für Inspektionssysteme, die eine feste und reproduzierbare Pixelauflösung erfordern, wird deshalb in der Regel ein Festbrennweitenobjektiv bevorzugt.
Wann ist ein Zoomobjektiv eine geeignete Lösung?
Nicht jede Kameraanwendung ist eine hochpräzise industrielle Inspektionsaufgabe. In manchen Anwendungen ist die Möglichkeit, das Bildfeld flexibel anzupassen, wichtiger als eine exakt reproduzierbare objektseitige Pixelauflösung. In solchen Fällen kann ein Zoomobjektiv eine praktische Lösung darstellen, ohne dass die mechanische Position der Kamera verändert werden muss.
Ein Zoomobjektiv ist deshalb besonders dann interessant, wenn während Installation oder Betrieb eine gewisse optische Flexibilität erforderlich ist. Entscheidend ist, ob eine geringfügige Änderung des Abbildungsmaßstabs die Zuverlässigkeit der Anwendung beeinflussen würde. Typische Einsatzfälle sind Anwendungen, bei denen:
die Montageposition der Kamera bereits festgelegt ist;
das erforderliche Bildfeld erst während der Installation bestimmt werden kann;
mehrere unterschiedliche Bildfelder getestet werden müssen;
die Kamera zur Beobachtung oder Prozessüberwachung eingesetzt wird;
keine hochgenauen Maßprüfungen im Kamerabild durchgeführt werden;
geringfügige Änderungen der Pixelauflösung keinen Einfluss auf die Anwendung haben.
Typische Beispiele sind Prozessüberwachung, Beobachtungssysteme und bestimmte Anwendungen in der Sportanalyse. Bei einem Kamerasystem zur Golfschwunganalyse wird die Montageposition beispielsweise häufig durch den verfügbaren Raum rund um den Spieler bestimmt. Über die Zoomeinstellung kann anschließend der relevante Bereich der Schwungzone erfasst werden, ohne die Kamera mechanisch neu positionieren zu müssen.
Ein Beispiel für ein Objektiv, das für eine solche Anwendung eingesetzt werden kann, ist das Kowa LMVZ4411 Zoomobjektiv. Dieses C-Mount-Objektiv verfügt über eine einstellbare Brennweite von 4,4 bis 11 mm. Dadurch lässt sich das Bildfeld anpassen, während die Kamera an einer festen Montageposition verbleibt.
Zoomobjektiv oder Festbrennweitenobjektiv?
Welcher Objektivtyp am besten geeignet ist, hängt von der jeweiligen Anwendung und der erforderlichen Genauigkeit ab. Optische Flexibilität und reproduzierbare Messergebnisse haben nicht in jeder Anwendung dieselbe Priorität. Deshalb sollte der konkrete Einsatzzweck der Kamera bestimmen, welche Objektivart verwendet wird.
Ein Festbrennweitenobjektiv ist in der Regel die bevorzugte Lösung, wenn eine konstante Pixelauflösung, ein fester Abbildungsmaßstab und reproduzierbare Inspektionsergebnisse erforderlich sind. Sobald Kamera, Objektiv und Arbeitsabstand fest eingestellt sind, bleibt die optische Geometrie stabil. Dadurch eignen sich Festbrennweitenobjektive besonders gut für automatisierte Prüf- und Messsysteme.
Ein Zoomobjektiv ist dagegen sinnvoll, wenn das Bildfeld während Tests, Inbetriebnahme oder Installation flexibel angepasst werden muss. Dies ist insbesondere bei Demonstrationen, Machbarkeitsuntersuchungen, Monitoring-Anwendungen und Anwendungen zur Sportanalyse von Vorteil. Sobald die endgültigen optischen Anforderungen feststehen, kann es dennoch sinnvoll sein, das Zoomobjektiv durch ein entsprechend ausgewähltes Festbrennweitenobjektiv zu ersetzen.
Für hochgenaue Maßprüfungen kann stattdessen ein telezentrisches Objektiv erforderlich sein. Ein telezentrischer Strahlengang reduziert perspektivbedingte Messfehler und hält den Abbildungsmaßstab bei geringfügigen Höhenänderungen des Prüfobjekts nahezu konstant. Telezentrische Objektive werden deshalb häufig zur Vermessung von Durchmessern, Bohrungen, Kanten und anderen kritischen Abmessungen eingesetzt, bei denen perspektivische Effekte zu unzulässigen Messabweichungen führen würden.
Das richtige Machine-Vision-Objektiv auswählen
Für die Auswahl eines geeigneten Objektivs werden mindestens die Sensorgröße der Kamera, das gewünschte Bildfeld und der verfügbare Arbeitsabstand benötigt. Bei Inspektionsanwendungen müssen zusätzlich die Größe des kleinsten zu erkennenden Defekts oder Merkmals sowie die dafür erforderliche Anzahl an Pixeln berücksichtigt werden. Aus diesen Parametern ergibt sich die objektseitige Auflösung, die das optische System erreichen muss.
Auf Basis dieser Angaben können die erforderliche Brennweite und die benötigte optische Auflösung berechnet werden. Es reicht nicht aus, dass das vollständige Prüfobjekt lediglich in das Kamerabild passt. Relevante Defekte, Kanten und andere Merkmale müssen mit einer ausreichenden Anzahl an Pixeln und genügend Kontrast dargestellt werden, damit sie zuverlässig erkannt oder vermessen werden können.
Geht die Anwendung über die reine Auswahl von Kamera und Objektiv hinaus, spielen weitere Komponenten des Bildverarbeitungssystems eine entscheidende Rolle. Beleuchtung, mechanischer Aufbau, Triggerung und Steuerung sowie die Bildverarbeitungssoftware beeinflussen gemeinsam die Zuverlässigkeit der späteren Inspektion. Erfahren Sie mehr über das Planen und Realisieren eines Machine-Vision-Systems.
