Die Kamera zu wählen ist nur die halbe Arbeit. Ohne das passende Objektiv nützt auch der beste Sensor nichts. Trotzdem wird die Optik oft als Nebensache behandelt. Das ist ein Fehler, der die Leistung des Systems lahmlegen oder eine teure Neuplanung erzwingen kann.
Im vorherigen Beitrag haben wir beschrieben, wie man die Kamera für ein Bildverarbeitungssystem wählt. Jetzt ergänzen wir das passende Objektiv. In einem früheren Beitrag ging es außerdem darum, auf welche Parameter der Optik zu achten ist. Heute gehen wir diese Parameter durch und erklären, wie ihre Werte das Bild aus der Kamera verändern.
Passung von Kamera und Objektiv: die Grundlagen
Bevor wir zu den optischen Parametern kommen, klären wir die Grundanforderungen. Ihr Objektiv muss in drei Punkten mechanisch und technisch zur Kamera passen.
Passung zur Sensorgröße
Die gewählte Optik muss für mindestens dieselbe Sensorgröße ausgelegt sein wie Ihre Kamera. Sonst leuchtet das Licht durch das Objektiv den Sensor nicht vollständig aus, und es entstehen dunkle Ecken oder eine Vignettierung im Bild.
Die Regel ist einfach: Hat die Kamera einen 1 Zoll Sensor, dürfen Sie ein Objektiv für einen größeren Sensor mit 1,2 Zoll nehmen, aber niemals umgekehrt. Eine Optik für einen kleineren Sensor als den vorhandenen führt sicher zu Problemen.
Art des Anschlusses
Kamerahersteller bieten verschiedene Reihen mit verschiedenen Objektivanschlüssen an. In der Industrie sind vor allem C-Mount und S-Mount verbreitet. Das ist reine Mechanik, aber sie ist zwingend. Bei einem falschen Anschluss gibt es keinen Ausweg. Prüfen Sie diese Angabe vor der Bestellung.
Unterstützte Auflösung
Kameras mit großen Sensoren liefern Bilder mit hoher Auflösung. Manche Hersteller von Optiken geben an, für welche maximale Auflösung ihre Objektive ausgelegt sind. Das ist wichtig, denn ein Objektiv für 2 Megapixel liefert nicht die Schärfe, die ein Sensor mit 12 Megapixeln braucht. Wenn diese Angabe vorliegt, achten Sie darauf, sie setzt die Obergrenze für die Details, die Ihr System aufnehmen kann.
Brennweite: Abstand und Verzeichnung
Die Brennweite wird umgangssprachlich Zoom genannt, denn sie bestimmt direkt den Arbeitsabstand, den es braucht, damit das beobachtete Objekt vollständig ins Bildfeld der Kamera passt. Bild 1 zeigt diesen Zusammenhang gut: Die Aufnahmen entstanden von derselben Stelle, geändert wurde nur die Brennweite.
Bild 1: Darstellung verschiedener Brennweiten und ihrer Bildwinkel
In industriellen Systemen für die Qualitätskontrolle ist die Brennweite aus zwei Gründen wichtig.
Arbeitsabstand zum geprüften Produkt
Das ist grundlegend. An Produktionslinien ist Platz knapp. Selten können Sie die Kamera weit vom Produkt entfernt aufstellen. Dazu kommt, dass der nötige Abstand oft die Größe der ganzen Prüfanlage bestimmt. Muss das System in ein Gehäuse, bedeutet ein größerer Arbeitsabstand eine größere und teurere Konstruktion.
Deshalb sind 12 mm und 16 mm in solchen Anwendungen ein guter Ausgangspunkt. Bei kleineren Produkten können Sie diesen Wert erhöhen, denken Sie aber an die Folgen für den Platzbedarf.
Optische Verzeichnung
Eine kürzere Brennweite hat leider auch Folgen. Je kürzer die Brennweite, desto stärker die optische Verzeichnung im Bild. Es entsteht der bekannte Fischaugeneffekt. Das lässt sich per Software korrigieren, kostet aber Rechenzeit und ist fehleranfällig.
Ein wichtiger Hinweis: Manche Hersteller geben die Verzeichnung ihrer Objektive an. Wenn diese Daten vorliegen, sind sie für die Auslegung sehr wertvoll. Sie können vorab beurteilen, ob die Verzeichnung für Ihre Toleranzen tragbar ist oder ob sie in der Verarbeitung korrigiert werden muss.
Blende: Licht, Geschwindigkeit und Tiefe
Die Blende bestimmt, wie viel Licht durch das Objektiv auf den Sensor fällt. Eine offenere Blende, also eine kleine Blendenzahl, lässt mehr Licht durch, eine geschlossene Blende mit großer Blendenzahl weniger. Objektive mit kleinen Blendenzahlen heißen lichtstark, weil sie eine kürzere Belichtung erlauben und damit schnellere Aufnahmen.
Die Blende steuert aber mehr als Licht und Belichtungszeit. Sie bestimmt maßgeblich die Schärfentiefe, also den Bereich vor der Kamera, der scharf abgebildet wird.
Bild 2 zeigt diesen Zusammenhang gut: Das am weitesten geöffnete Objektiv mit kleiner Blendenzahl hat die geringste Schärfentiefe, die am stärksten geschlossene Blende die größte.
Bild 2: Darstellung des Zusammenhangs zwischen Blende und Schärfentiefe
Für Bildverarbeitungssysteme hat das wichtige Folgen. Liegt Ihr Produkt immer im gleichen, bekannten Abstand zum Objektiv, ist die Entscheidung einfach: Blende weit öffnen, Schärfe auf diesen Abstand einstellen, fertig. Ein zusätzlicher Vorteil der offenen Blende ist die kurze Belichtungszeit, die oft eine höhere Bildrate der Kamera erlaubt.
Kann das Produkt dagegen in unterschiedlichen Abständen liegen, wird es schwierig. Dann hat das System einen veränderlichen Arbeitsbereich, und die Schärfentiefe wird entscheidend. Um sie zu vergrößern, müssen Sie die Blende schließen, wodurch gleichzeitig weniger Licht auf den Sensor fällt.
Ausgleichen können Sie das auf zwei Wegen: längere Belichtungszeit oder stärkere Beleuchtung. Es gibt noch einen dritten Weg, nämlich Objektive mit steuerbarer Fokussierung, die kosten aber ein Vielfaches gegenüber üblichen Objektiven mit fester Einstellung. In den meisten industriellen Anwendungen lohnt sich das nur, wenn es wirklich nötig ist.
Was das in der Praxis bedeutet
Seien wir ehrlich: In der industriellen Prüfung hat jeder dieser Parameter konkrete Folgen, und als Ingenieur wägen Sie ständig ab.
- Kurze Brennweite ergibt einen kompakten Aufbau, bringt aber Verzeichnung, die eventuell korrigiert werden muss.
- Offene Blende liefert kurze Belichtung und helle Bilder, kostet aber Schärfentiefe und macht das System empfindlich gegen Lageänderungen des Produkts.
- Geschlossene Blende bringt Robustheit über die Schärfentiefe, verlangt aber mehr Licht oder langsamere Aufnahmen.
Zusammenfassung
Bei der Wahl des Objektivs geht es nicht um die beste Optik, sondern um die Optik, die Ihr konkretes Problem innerhalb Ihrer konkreten Grenzen löst. Die besprochenen Parameter, also Passung zum Sensor, Brennweite und Blende, bilden die Grundlage dieser Entscheidung.
In der Praxis bauen wir oft Prototypen mit mehreren Objektiven und testen sie unter echten Bedingungen mit echten Produktmustern. Datenblätter geben Ihnen die Grenzen vor, der Test in der Praxis zeigt, welche Kombination die Bildqualität und die Robustheit liefert, die Ihre Anwendung braucht.