Objektive für raue Umgebungen ermöglichen Wachstum des Automatisierungsmarktes

Automatisierte Systeme finden wir in einer Vielzahl von Branchen wieder und sie werden im modernen Leben immer wichtiger. Von automatisierten landwirtschaftlichen Geräten über Roboter, die mit Produktionsmitarbeitern zusammenarbeiten, bis hin zu Drohnen werden Bildverarbeitungssysteme in neuen Anwendungen außerhalb der traditionellen, kontrollierten Umgebungen eingesetzt. In diesen Umgebungen können Stößen und Vibrationen, Spritzwasser, Feuchtigkeit, Verunreinigungen und Temperaturschwankungen auftreten. Objektive für die industrielle Bildverarbeitung sind bereits robuster als ihr Pendant für private Fotografen, aber für bestimmte Anwendungsfälle kann eine zusätzliche Robustheit erforderlich sein. Um diesen anspruchsvollen Bedingungen gerecht zu werden, wurde eine neue Generation von Bildverarbeitungsobjektiven entwickelt. Sie ermöglichen hohe Abbildungsleistungen in automatisierten Systemen und widerstehen gleichzeitig allen Umweltwidrigkeiten.

Warum ist eine zusätzliche Robustheit erforderlich?

Herkömmliche Bildverarbeitungsobjektive halten normalen Fabrikumgebung stand. Sie können über einen langen Zeitraum hinweg ohne Qualitatseinbußen verwendet werden. Ein Einbau in bewegte Maschinen, eine Verladung auf Lastwagen, ein Sturz auf den Fabrikboden oder ein Einsatz unter Bedingungen mit zusätzlichen Stößen, Vibrationen oder Verunreinigungen kann allerdings zu Schäden an den Objektiven führen. Die normale Fabrikumgebung mag rau wirken, aber sie wird in der Regel kontrolliert und überwacht, während dies in anderen Umgebungen nicht immer der Fall ist.

Herkömmliche Bildverarbeitungsobjektive verfügen über mehrere Blendenlamellen zur Blendeneinstellung und Doppelgewinde-Fokusmechanismen. Dies macht die Objektive flexibel und einfach einstellbar für verschiedene Anwendungsfälle (Abbildung 1). Stöße und Vibrationen können die beweglichen Teile jedoch verschieben und zu unerwünschtem Pixelshift und einer Auflösungsverschlechterung führen. Wasser und andere Verunreinigungen können in die Objektivbaugruppe eindringen und das Objektiv unbrauchbar machen oder sogar den Kamerasensor hinter dem Objektiv beschädigen. Temperaturschwankungen führen dazu, dass sich die Glaslinsen und das Metallgehäuse ausdehnen oder zusammenziehen, wodurch sich die Fokusposition verschiebt und das System neu fokussiert werden muss. Da die Fortschritte in der Automatisierung den Einsatz von Bildverarbeitungssystemen in immer raueren Umgebungen ermöglichen, könnten all diese Probleme die Abbildungsleistung beeinträchtigen oder die Objektive unbrauchbar machen. Bei automatisierten landwirtschaftlichen Geräten treten zum Beispiel Stöße und Vibrationen auf, wenn sie sich über unebenes Gelände bewegen, außerdem sind sie Spritzwasser, Luftfeuchtigkeit und Temperaturschwankungen aufgrund von Wetterveränderungen ausgesetzt.

Abbildung 1: Die beweglichen Teile im Inneren eines herkömmlichen Bildverarbeitungsobjektivs können sich aufgrund von Stößen und Vibrationen in rauen Umgebungen verschieben, was die Leistung beeinträchtigt. Unerwünschte Verunreinigungen können in die Baugruppe rund um den Fokussiermechanismus eindringen.

Robuste Objektive für die Industrie: Minimierung der Objektivkomplexität

Die einfachste Lösung ist oft die beste. Die robusten Objektive für die Industrie haben eine einfachere und schlankere Objektivmechanik für ein leichteres und platzsparendes Design, wodurch sie sich ideal für die Integration in Geräte und OEM-Anwendungen eignen. Die einfachere Mechanik verhindert Fokus- oder Blendenveränderungen bei Stößen und Vibrationen und reduziert die Anzahl der beweglichen mechanischen Teile. Dies macht die robusten Objektive für die Industrie kostengünstiger als herkömmliche Objektive. Feste Blenden ersetzen einstellbare Blenden mit mehreren Lamellen. Fokussiermechanismen mit einem Gewinde ersetzen Fokussiermechanismen mit Doppelgewinde. Aber auch wenn robuste Objektive für die Industrie kostengünstiger und besser vor Stößen und Vibrationen geschützt sind als ihre herkömmlichen Pendants, sollte unbedingt beachtet werden, dass sie weniger Flexibilität bei der Einstellung der Objektivparameter bieten.

Abbildung 2: Robuste Objektive für die Industrie haben eine vereinfachte Objektivmechanik, die Fokus- oder Blendenveränderungen durch Stöße und Vibrationen verhindert. Sie sind ideal für den Einsatz in industriellen Anwendungen geeignet, bei denen sie einmal eingebaut und nicht mehr verstellt werden müssen.

Stabilisierte Objektive: Maximaler Schutz vor Stößen und Vibrationen

Die Stabilisierung baut auf den robusten Objektiven für die Industrie auf und bietet zusätzliche Schutzfunktionen, um das Objektiv vor Stößen und Vibrationen zu schützen. Alle einzelnen Glaselemente im Inneren der Baugruppe sind verklebt, um die Stabilität der optischen Ausrichtung zu gewährleisten. Stöße und Vibrationen können die Linsenelemente in einem herkömmlichen Objektiv dezentrieren, wodurch sich das Bild auf andere Pixel verschiebt (Abbildung 3). Durch das Verkleben aller Elemente wird diese Pixelverschiebung verhindert und die Abbildungsleistung in rauen Umgebungen erhalten.

STANDARDOBJEKTIV DER C-SERIE

ROBUSTES OBJEKTIV DER Cr-SERIE

Abbildung 3: Vergleich des Pixelshifts, der bei einem herkömmlichen Objektiv aufgrund von Erschütterungen und Vibrationen auftritt (links), mit der verbesserten Ausrichtungsstabilität eines stabilisierten Objektivs (rechts).

Versiegelung zum Schutz vor Umwelteinflüssen: Wasserdichte Baugruppen

Die Versiegelung schützt die Objektive vor dem Eindringen von Wasser oder festen Partikeln in das Gehäuse. Für die Abdichtung mit Gummiringen werden die robusten Objektive für die Industrie verwendet, da die beweglichen Teile herkömmlicher Objektive die Abdichtung beeinträchtigen würden. Die versiegelten Objektive von Edmund Optics^® sind wasserdicht und entsprechen den Schutzgraden IPX7 und IPX9K der International Electrotechnical Commission (IEC). Die Kombination dieser Objektive mit wasserdichten Kameras und Beleuchtungen (falls erforderlich) erzeugt ein komplett geschütztes Bildverarbeitungssystem.

Abbildung 4: Automatisierte Maschinen, die im Freien eingesetzt werden, sind oft Spritzwasser ausgesetzt. Die versiegelten Objektivversionen schützen die Bildverarbeitungssysteme vor Verunreinigungen.

Athermalisierung: Unabhängig von der Temperatur einen kühlen Kopf bewahren

Die thermisch bedingte Ausdehnung und Kontraktion von Glaslinsenelementen und ihrem Metallgehäuse führt zu einer Verschiebung des Fokuspunkts in Bildverarbeitungsobjektiven. Dieses Problem tritt besonders in der Luft- und Raumfahrt oder bei anderen Bildverarbeitungssystemen, die starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, auf. Es gibt zwei Hauptmethoden für die Athermalisierung von Objektiven: die aktive Athermalisierung und die passive Athermalisierung. Bei der aktiven Athermalisierung wird die Position der Linsenelemente im Gehäuse mithilfe einer Rückkopplungsschleife und eines Motors physisch angepasst, um die thermische Fokusverschiebung zu korrigieren. Bei der passiven Athermalisierung hingegen wird durch eine geschickte mechanische Konstruktion und Materialauswahl dafür gesorgt, dass die Leistung des Objektivs bei Temperaturschwankungen innerhalb des vorgegebenen Bereichs bleibt, ohne dass die Elemente aktiv angepasst werden müssen. Beim Design von passiv athermalisierten Objektiven werden verschiedene Schritte unternommen, um die Auswirkungen thermischer Veränderungen zu minimieren. Die athermischen Objektive von Edmund Optics sind passiv athermalisiert für Temperaturen von -10°C bis 50°C, ohne den Einsatz von seltenen oder teuren Glastypen (Abbildung 5). Die Stabilität wird über einen weiten Temperaturbereich aufrechterhalten, ohne dass die Kosten oder die Komplexität des Systems unnötig erhöht werden.

Abbildung 5: Die obere Animation zeigt die Fokusverschiebung, die bei einem herkömmlichen Objektiv aufgrund von Temperaturschwankungen auftritt, während die untere Animation ein passiv athermalisiertes Objektiv zeigt, das bei den Temperaturschwankungen innerhalb seiner Auflösungsspezifikation bleibt.