M12-Objektive für Embedded-Vision-Kameras

So wählen Sie das richtige S-Mount-Objektiv für Ihre Anwendung aus

Drei Faktoren sind für die Auswahl eines M12-Objektivs entscheidend: Sichtfeld, Auflösung (MTF) und mechanische Passgenauigkeit. Wenn diese richtig gewählt sind, ergeben sich die übrigen Spezifikationen (Blendenzahl, IR-Filterung, Abdichtung) aus Ihrer Betriebsumgebung. Die folgenden Hinweise behandeln jeden Parameter und die Kompromisse, die bei eingebetteten Systemen am wichtigsten sind.

Überlegungen zu Sichtfeld und Brennweite

• Anforderungen an das Sichtfeld (FOV) Die Brennweite bestimmt, wie viel von der Szene das Objektiv erfasst. Kurze Brennweiten bieten mobilen Robotern den weiten Erfassungsbereich, den sie für die Situationserkennung benötigen; lange Brennweiten geben feine Details für die Inspektion aus der Ferne wieder. Weitwinkel-M12-Objektive weisen in der Regel eine stärkere tonnenförmige Verzeichnung auf, die Sie jedoch per Software korrigieren oder durch ein verzeichnungsarmes Design gänzlich vermeiden können. S-Mount-Teleobjektive bieten geometrische Genauigkeit über ein enges Sichtfeld. Modellieren Sie den genauen Erfassungsbereich einschließlich Verzerrung mit unserem Sichtfeldrechner.
• Optimierung der Schärfentiefe (DOF) Die Schärfentiefe ist der Entfernungsbereich, in dem Bilder akzeptabel scharf wiedergegeben werden. Höhere Blendenzahlen vergrößern die Schärfentiefe, verringern jedoch den Lichtdurchsatz, was bei Board-Kameras unter wechselnden Lichtverhältnissen eine echte Einschränkung darstellt. M12-Module mit festem Fokus sind auf eine großzügige Schärfentiefe angewiesen, um ein Nachfokussieren zu vermeiden. Wenn Ihr Arbeitsabstand also variiert, überprüfen Sie die Schärfe an beiden Extremwerten und nicht nur bei der Nennentfernung. Unser Schärfentiefen-Rechner berücksichtigt den Pixelabstand bei der Abschätzung der akzeptablen Unschärfe.
• Kompatibilität mit dem Sensorformat Der Bildkreis des Objektivs muss mindestens so groß sein wie die Sensordiagonale, da es sonst in den Ecken zu Vignettierung kommt. Ein größerer Bildkreis als erforderlich ist optisch unbedenklich, da der Sensor den gut korrigierten Bildmittelpunkt abtastet. Sie zahlen jedoch für Größe, Gewicht und Glas, das Sie nie nutzen, sodass das formatangepasste Objektiv in der Regel kostengünstiger ist. Ein für 1/2,3" optimiertes S-Mount-Objektiv funktioniert gut auf einem 1/3"-Sensor; umgekehrt entstehen dunkle Ecken. Unser Brennweitenrechner ordnet das Sensorformat der Brennweite zu, mit der Sie Ihr gewünschtes Sichtfeld erzielen.

Technische Daten zur optischen Leistung

• Auflösung und MTF-Leistung Die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) beschreibt, wie viel Kontrast das Objektiv bei jeder räumlichen Frequenz bewahrt. Sie ist das Standardmaß für die Schärfe eines Objektivs. Ein gängiger Maßstab in der industriellen Bildverarbeitung ist ein MTF-Wert von über etwa 20 % bei der Nyquist-Frequenz des Sensors (1 / (2 × Pixelabstand)); unterhalb dieses Wertes begrenzt das Objektiv und nicht der Sensor die Systemauflösung. Eine überdimensionierte MTF verursacht zusätzliche Kosten ohne sichtbaren Nutzen, sobald die Pixelgröße die Grenze darstellt; passen Sie das Objektiv daher an den Sensor an, den Sie tatsächlich verwenden. Commonlands veröffentlicht auf Anfrage gemessene MTF-Daten.
• Blendenzahl und Lichtsammlung Die Blendenzahl bestimmt die Lichtsammlung: Die Beleuchtungsstärke in der Bildebene skaliert mit 1/N², sodass ein Objektiv mit F1,4 etwa doppelt so viel Licht liefert wie ein Objektiv mit F2,0. Große Blendenöffnungen (F1,4–F2,0) verbessern das Signal-Rausch-Verhältnis bei schwachem Licht und ermöglichen kürzere Belichtungszeiten, wodurch Bewegungsunschärfe reduziert wird; allerdings weisen sie typischerweise stärkere Aberrationen an den Bildrändern und eine geringere Schärfentiefe auf. Ist die Szene gut ausgeleuchtet und ist die Bildgeometrie wichtiger als die Lichtstärke, ist eine mittlere Blende um F2,8 oft die bessere Wahl.
• Anpassung an den Chief Ray Angle (CRA) Bei CMOS-Sensoren sind über jeder Fotodiode Mikrolinsen angebracht, die auf einen Strahleinfallswinkel abgestimmt sind, der zum Sensorrand hin zunimmt. Wenn der CRA der Linse zu stark vom Mikrolinsen-Design des Sensors abweicht, verfehlt das außerhalb der Achse einfallende Licht teilweise die Fotodioden und erzeugt wellenlängenabhängige Abschattungen: den rosa-grünen Farbstich in den Ecken, der sich in der Nachbearbeitung nur schwer beseitigen lässt. Halten Sie den CRA des Objektivs innerhalb weniger Grad der vom Sensor angegebenen Kurve; viele Sensorhersteller empfehlen, einen Bereich von etwa 5° einzuhalten. Maschinelles-Sehen-Sensoren mit Global-Shutter wie der OV9281 und der AR0234 geben ihre CRA-Kurven in ihren Datenblättern an. Vergleichen Sie diese mit dem CRA-Diagramm des Objektivs, bevor Sie sich entscheiden.

Umweltbedingte und mechanische Faktoren

• Anforderungen an den Schutzgrad Ein M12-Objektiv der Schutzklasse IP67 ist am Gehäuse abgedichtet, wodurch das Schutzfenster entfällt, das ein nicht abgedichtetes Objektiv im Außenbereich andernfalls benötigen würde. Der Wegfall dieser beiden Luft-Glas-Grenzflächen bedeutet weniger Streulicht und einen besseren Kontrast, und ein abgedichteter Objektivtubus verhindert das Beschlagen im Inneren, das bei Temperaturwechseln in feuchten Umgebungen auftritt. Für Außenanwendungen oder Anwendungen mit Hochdruckreinigung sollten Sie eine abgedichtete Linse spezifizieren oder die Kosten für ein hochwertiges Schutzfenster einkalkulieren; in kontrollierten Innenräumen können die Kosten durch Standard-Objektivtuben eingespart werden.
• Überlegungen zur thermischen Stabilität Optisches Glas weist eine geringe thermische Ausdehnung und einen niedrigen dn/dT-Wert auf, sodass M12-Konstruktionen aus Vollglas den Fokus über den Temperaturbereich von −40 °C bis +85 °C gut halten; viele sind zudem gezielt athermisiert. Hybride S-Mount-Konstruktionen aus Glas und Kunststoff sind kostengünstiger, verschieben jedoch den Fokus bei Temperaturänderungen, da optische Kunststoffe sich stärker ausdehnen und sich ihr Brechungsindex bei Wärme schneller ändert. Für Außenkameras, die starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, sollte eine Vollglaskonstruktion gewählt werden; für temperaturgeregelte Innenanwendungen stellen Hybridkonstruktionen eine sinnvolle Kostenoptimierung dar.