Individuelle Anforderungen optimal umgesetzt

Mikrovideolinsen erweitern Einsatzmöglichkeiten für die Bildverarbeitung

  • Der Leuze LSIS 412 Bildverarbeitungssensor kann beispielsweise zur Sortierung von Schrauben eingesetzt werden (Quelle: Leuze electronic)
  • Zwei Mikrovideolinsen verfolgen das Geschoss in der elektronischen Zielscheibe OpticScore (Quelle: Knestel Elektronik)
  • Eine Mikrovideolinse sorgt bei diesem Desko MPR 7100 e-Ausweislesegerät dafür, dass das optische Lesegerät klein, leicht und kostengünstig ist (Quelle: Desko)

Früher konnten Mikrovideolinsen für kompakte Bildverarbeitungssysteme nur bei Applikationen mit geringem Anspruch an das Auflösungsvermögen eingesetzt werden. Die Reduzierung von Größe und Kosten der Bildsensoren bei gleichzeitg gestiegener Pixelzahl ermöglichen mittlerweile jedoch hohe Auflösungen in kompakten Systemen. Neue Optikdesigns liefern Mikrovideolinsen mit höherer - auf die heutigen Sensoren angepasster - Auflösung, und schaffen so zusätzliche Einsatzmöglichkeiten.

Die Digitalisierung in der Bildverarbeitung führte zu höherer Auflösung und geringeren Kosten bei den Sensoren, aber die Optiken blieben in der Regel die gleichen. Die meisten Objektive für die Bildverarbeitung verwenden C-Mount-Gewinde. Sie wurden für eine Sensorgröße von 2/3" bzw. einen Bildkreis von 11 mm konstruiert. Mittlerweile allerdings sind hochauflösende CCD- und CMOS-Bildsensoren in Größen um 1/3" verfügbar, die Optikhersteller - wie Edmund Optics - veranlassen, die Objektivgröße entsprechend zu verringern.
Diese Mikrovideolinsen haben üblicherweise eine Länge von 15-25 mm mit einem Außendurchmesser von 14-18 mm. Der Anschluss ist im Allgemeinen ein S Mount (M12x0,5-Gewinde). Diese kompakte Größe bietet einen Vorteil gegenüber den herkömmlichen Objektiven, nicht nur aufgrund der kleineren Abmessungen, sondern auch wegen geringerer Kosten.
Die Verringerung der Kosten rührt jedoch nicht primär von den Linsen her. Um eine hohe Qualität aufrecht zu erhalten, werden auch diese Objektive nur aus Glas und Metall hergestellt und nicht aus Kunststoff. Die Kosten für Glas verringern sich zwar leicht bei kleineren Objektivdurchmessern, die hauptsächliche Kostenreduktion ergibt sich aber aus der mechanischen Konstruktion. Zum Beispiel wird zur Fokussierung von Mikrovideolinsen auf einen teuren Schneckengang verzichtet und stattdessen das Anschlussgewinde verwendet. Ein weiterer Konstruktionsschritt zur Kostenreduzierung ist das Festlegen der Blendengröße durch einen Zwischenring mit genau passenden Durchmesser anstelle einer Irisblende.

Auswahl der Mikrovideolinsen
Eine breite Palette an Mikrovideolinsen für verschiedenste Anforderungen ist heute direkt ab Lager verfügbar.

Zum Beispiel eignen sich die auf große Abstände korrigierten (infinite conjugate) Objektive für Standardkameras und eine Arbeitsentfernung von einigen 10 cm. Sie decken einen großen Brennweitenbereich zwischen 1,7 mm und 50 mm ab und ermöglichen damit horizontale Blickwinkel zwischen 6,8° und 134°. Es gibt zusätzlich Versionen für höhere Auflösung mit einem empfohlenen Arbeitsabstand ab 40 cm.
Für Anwendungen, die sehr geringe Distanzen erfordern, bieten auf kurze Abstände korrigierte (finite conjugate) Objektive bei Brennweiten zwischen 5 mm und 25 mm empfohlene Arbeitsabstände von 15-25 cm. In vielen Fällen sind kürzere Entfernungen im Zentimeterbereich möglich. Die Auflösung kann bis zu 200 lp/mm betragen und einige der Objektive sind für ½"-Sensoren geeignet.
Bei der Auswahl einer Mikrovideolinse sollte zuerst auf die Sensorgröße und die Auflösung geachtet werden. Der nächste Parameter, den es zu ermitteln gilt, ist der Objektwinkel, der sich leicht aus der Entfernung zum Motiv, der Sensorgröße und der Objektgröße errechnen lässt. Da weitwinklige Objektive tendenziell mehr Verzeichnung aufweisen, ist der Objektwinkel dort aussagekräftiger für die Auswahl als die Brennweite.
Wenn keine Objektive für die vorgegebene Anwendung serienmäßig verfügbar sind, kann der Optikhersteller mit einer Modifizierung eines Standardprodukts oder mit einer kundenspezifischen Lösung weiterhelfen. Die Hersteller können ein Objektiv beispielsweise modifizieren, um mit integriertem Filter die Kamerakosten zu verringern, oder die Blendenzahl ändern, um die Schärfentiefe zu erhöhen. Änderungen am Gehäuse sind eine weitere Möglichkeit der Anpassung.
Eine Sonderanfertigung besteht in der Regel aus drei bis sechs Einzellinsen und hängt vom Zielpreis, mechanischen Randbedingungen sowie natürlich den Anforderungen an die optische Abbildungsqualität ab. Die Optikkonstrukteure des Herstellers können oft hilfreiche Vorschläge hinsichtlich der Konstruktion liefern, um Kosten und Leistung zu optimieren.

Vielfältige Anwendungen

Mikrovideolinsen sind am besten für Anwendungen geeignet, in denen die klassische Kombination Kamera-Objektiv zu teuer bzw. zu sperrig ist. Oft sind dies neue Anwendungen, die das Objektiv zusammen mit einem spezialisierten Bildsensor verwenden. In immer mehr Fällen ist das Objektiv im Sensor integriert, wie z.B. beim Visionsensor Leuze LSIS 412. Das Ergebnis ist ein Bildverarbeitungssystem, das nahezu überall hinpasst.
Die elektronische Zielscheibe OpticScore von Knestel Elektronik GmbH verwendet zwei Hochgeschwindigkeitssensoren mit Mikrovideolinsen zur Aufnahme von Bildern eines Geschosses während des Flugs. Das System, das mit 40.000 Bildern pro Sekunde arbeitet, nimmt mehrere Bilder des Geschosses auf, während es sich durch den Lichtvorhang bewegt. Verglichen mit herkömmlichen Auswertungssystemen bietet dieses System den Anwendern zuverlässigere und genauere Messungen.
Das MPR 7100 e-Ausweislesegerät der Desko GmbH verwendet z.B. eine kundenspezifische Mikrovideolinse als Teil eines Multidokumentenlesers für Sicherheits- und Passagierservice-Stationen an Flughäfen. Das optische Lesemodul ist kleiner als eine Streichholzschachtel.
Mit einer Weitwinkel-Mikrovideolinse (> 90° horizontal) ist es z.B. möglich, mit einem Visionsensor aus der Ecke eines rechtwinkligen Bereiches heraus zu beobachten, ob sich etwas durch diesen Bereich hindurch bewegt. Dies kann dazu verwendet werden, Sicherheitslichtvorhänge in Werkstätten oder Maschinenhallen zu ersetzen.
Weitere Anwendungen für Mikrovideolinsen sind Waagen mit Obst-/Gemüseerkennung in Supermärkten, automatisierte Maßhaltigkeitskontrolle in der Produktion und Lotterielosscanner. Neben günstigen Preisen, insbesondere bei großen Stückzahlen, ist der reduzierte Platzbedarf das beste Argument für Mikrovideolinsen. Und mit der Unterstützung des Optikherstellers können sogar individuelle Systemanforderungen erfüllt werden ohne Abstriche an Leistungsfähigkeit oder Wirtschaftlichkeit.

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