Tipps für die Objektivauswahl zur Machine-Vision-Inspektion

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Der optimale Arbeitsabstand und das Sichtfeld

Jedes Objektiv hat einen optimalen Arbeitsabstand (im Datenblatt oft recommended shooting distance genannt). Wird das Objektiv in diesem Abstand zum aufzunehmenden Objekt oder der zu beobachtenden Szenerie montiert, wird die maximale Bildqualität erzielt und Unschärfe vermieden. Wichtig für die Objektivwahl ist dabei ebenfalls die Objektgröße, also die Größe des Sichtfeldes (FOV, Field of View), welches von der Kamera erfasst und ausgewertet werden soll.

Aus dem FOV, dem Arbeitsabstand und der Sensorgröße ergibt sich die Brennweite f, mit welcher das Objektiv für die bestmögliche Bilderfassung zu wählen ist: f = Sensorgröße/Objektgröße x Arbeitsabstand. Die Brennweite ist in mm angegeben und Industriekameras werden standardmäßig mit Festbrennweiten genutzt. Objektive mit Festbrennweiten benötigen gegenüber Zoom-Objektiven weniger Linsenelemente, sind mechanisch stabiler und damit für den Industriegebrauch verlässlicher.

Mit steigender Brennweite erhöhen sich die Tele-Eigenschaften des Objektivs, womit weit entfernte Objekte detailreich und scharf abgebildet werden. Kleinere Brennweiten, wie in Weitwinkel- oder Fisheye-Objektiven, ermöglichen die Erfassung eines möglichst großen Sichtfeldes aus dem Nahbereich. Soll beispielsweise ein 2 m hohes Objekt aus einem Abstand von 5 m betrachtet werden, und der Kamerasensor hat eine Höhe von 6,6 mm, dann wird dazu ein Objektiv mit der Brennweite von 16 mm benötigt (6,6 mm/2000 mm * 5000 mm = 16,5 mm).

Ergibt der errechnete Wert für die Brennweite nicht direkt eine real verfügbares Objektiv mit dieser Brennweite, ist immer die nächst kleinere Brennweite zu wählen. So ergibt sich ein etwas größeres Sichtfeld (FOV) und ein Puffer für die Anwendung. Liegt der errechnete Wert jedoch nur knapp unter der nächsten Brennweitenstufe, ist es sinnvoll, den Arbeitsabstand anzupassen, um damit eine höhere Auflösung zu erreichen.

Die einmal gesetzten Parameter und damit das Festbrennweiten-Objektiv sind später nur sehr aufwändig veränderbar. Eine vorausschauende Planung der Bildaufnahme und exakte Berechnung sind daher für die dauerhafte Qualität der Aufnahme und Auswertung ausschlaggebend. Die am häufigsten eingesetzten Objektive für Machine Vision sind endozentrische Objektive, die am ehesten dem menschlichen Auge entsprechen und einen festen Öffnungswinkel besitzen. Weit entfernte Objekte erscheinen kleiner, Objekte in kurzer Entfernung größer.

Telezentrische Objektive, bei denen das Objekt unabhängig von der Entfernung immer gleich groß erscheint, kommen vor allem in Mikroskopen und der Messtechnik zum Einsatz. Der Vorteil liegt darin, dass sie Objekte ohne perspektivische Verzerrung erfassen und damit Abstandsmessungen mit hoher Präzision möglich sind. Da dies in den meisten Industrieanwendungen nicht notwendig ist, wird im Folgenden auf endozentrische Objektive und einige ihrer Spezialarten eingegangen.

Objektive werden zumeist nach der Größe ihres Gewindeanschlusses (englisch Mount) klassifiziert. C-Mount-Objektive mit einem Gewindedurchmesser von 1" sind der am meisten verwendete Objektivstandard im Industriebereich; er eignet sich für Sensoren bis 4/3" oder einer Sensordiagonale von 22,5 mm. Für größere Sensoren, Vollformate oder Zeilensensoren werden meist F-Mount-Objektive genutzt. Für kleinere Sensoren mit einer Größe von 1/2", 1/3" oder kleiner eignen sich dagegen S-Mount-Objektive sehr gut.

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