Die entscheidende Rolle der Linsenfokussierung in eingebetteten Systemen mit Sehfähigkeit

Eingebettete Systeme sind allgegenwärtig. Sie finden sich in Flugzeugen als Flugsteuerungssysteme, in Autos als Infotainmentsysteme oder Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und natürlich in unserem Alltag als Grundlage für Smartphones. Ein Anwendungsbereich sind autonome mobile Roboter (AMR). Ohne die Fähigkeit, ihre Umgebung wahrzunehmen, sind sie blind.

Neben LiDAR sind Stereokameras und Time-of-Flight-Kameras die erste Wahl, wenn es um Sensoren geht, die diesen AMRs das Sehen ihrer Umgebung ermöglichen. Die Zuverlässigkeit der generierten Daten ist dabei entscheidend – wie zu erwarten. Entwickler erstellen Algorithmen, damit AMRs mit Hilfe von Kameras sicher navigieren können. Dies geschieht mit Hilfe von visuellen SLAM-Algorithmen (VSLAM, Visual Simultaneous Localization and Mapping).

Diese müssen sie so aufbauen, dass ihre AMRs Bildmerkmale zuverlässig erkennen und verarbeiten können. Das ist jedoch nur möglich, wenn der eingebaute Sensor und seine Optik perfekt aufeinander und auf diese Anwendung abgestimmt sind.

Die richtige Auswahl des Sensors und des Objektivs

Zunächst einmal ist es natürlich entscheidend, dass der Bildsensor und das Objektiv für die Anwendung geeignet sind. In der Logistik müssen beispielsweise Waren auf Förderbändern gescannt werden, was Weitwinkel-Sensoren erfordert, während AMRs in der Regel Stereokamera-Setups oder Bildsensoren benötigen, um räumlich zu sehen, sowie Time-of-Flight-Sensoren, um Entfernungen zu messen. Für alle Anwendungen, unabhängig davon, ob es sich um AMRs oder Förderband-Scanner handelt, muss zunächst das Objektiv so ausgewählt werden, dass alle effektiven Pixel mit dem richtigen Einfallswinkel beleuchtet werden.

Technisch gesehen muss das Licht vollständig auf die Brennebene fallen, damit ein scharfes Bild entsteht. Was jedoch je nach Anwendung stark variieren kann, ist, ob es eine feste Position für eine Kamera gibt und wie weit die zu erfassenden Objekte entfernt sind. So kann eine Vorauswahl der Objektive getroffen werden.

Um beispielsweise ein weites Feld zu erfassen, ist ein Weitwinkelobjektiv erforderlich, während Teleobjektive ideal für die Aufnahme weiter entfernter Objekte sind.

Anwendungsdetails vor der Linsenfokussierung

Bevor überhaupt an die Fokussierung des Objektivs gedacht wird, müssen zunächst die Anwendungsanforderungen ermittelt werden. Diese schränken dann die Auswahl an geeigneten Komponenten ein.

Sobald der Bildsensor und ein passendes Objektiv gefunden sind, werden die Teile zusammengebaut. Allerdings werden die Umgebungsbedingungen vor Ort oft unterschätzt. Thermische Belastungen können nicht nur zu Bildrauschen führen, sondern auch das Objektiv defokussieren, wenn es nicht fachgerecht integriert ist. Diese Integration basiert auf zuverlässigen Tests durch Simulationen, bis ein geeigneter Prototyp gebaut werden kann.

Neben der Herausforderung, die Wärmeentwicklung richtig zu adressieren, können auch Feuchtigkeit (z. B. bei Kameras, die Regen ausgesetzt sind) oder Verunreinigungen wie Rußpartikel eine Rolle spielen.

Die richtige Einstellung der Linse: Linsenfokussierung in wenigen Schritten

Noch wichtiger ist es jedoch, den richtigen Abstand zum zu fotografierenden Objekt zu bestimmen. Der ideale Abstand zwischen dem Objektiv und dem zu fotografierenden Objekt oder Motiv wird als Fokusabstand bezeichnet.

Damit stellt sich die Frage, wie groß die Schärfentiefe (DOF) ist. Die Schärfentiefe bezeichnet den Raum zwischen dem nächstgelegenen und dem am weitesten entfernten zu fotografierenden Objekt, in dem noch eine akzeptable Schärfe erreicht werden kann.

Die Schärfentiefe ist also der Spielraum um die Fokusentfernung, den Sie in einer bestimmten Anwendung haben. Dieser variiert von Anwendung zu Anwendung. Je mehr die Blende geschlossen ist, desto schärfer wird das Bild in der Regel.

Leider wirkt sich dies auf die Helligkeit des Bildes aus, da nur wenig Licht in das Objektiv eintritt und somit auf die Sensorfläche fällt. Sie müssen also Vor- und Nachteile abwägen, um das perfekte Ergebnis zu erzielen.

Die Schärfentiefe berechnen für den optimalen Linsenfokus

Um herauszufinden, wie groß das Feld sein muss, um ein akzeptabel scharfes Bild zu erhalten, also die Schärfentiefe (Depth of Field, DOF), können Sie die Schärfentieferegelung verwenden:

u steht für den Abstand zum abzulichtenden Objekt, N bezeichnet die Blendenzahl, c ist der Zerstreuungskreis und f die Brennweite.

Bildgebungsexperten verwenden diese Formel und ermitteln in Labors anhand verschiedener Abstände, Blendengrößen, Zerstreuungskreise und Brennweiten die optimale Schärfe. Dazu verwenden sie Testcharts mit spezieller Software unter kontrollierten Lichtbedingungen, bei denen die Kanten auf optimale Schärfe überprüft werden. Alternativ kommen Kollimatoren zum Einsatz. Das sind Vorrichtungen zur Bündelung von Strahlen, die dabei helfen, scharfe Bilder für sehr kleine oder sehr große Entfernungen zu erzeugen. Das ist natürlich nur ein kleiner Teil des Prozesses zur Ermittlung der optimalen Lösung. Neben der Feinabstimmung der Fokusentfernung sind natürlich weitere Optimierungsarbeiten erforderlich, wie beispielsweise die thermische Defokussierungsimmunisierung und der Montageprozess im Allgemeinen, auf die wir in anderen Artikeln eingehen werden.

Der Nutzen von perfekt fokussierten Linsen für industrielle Anwendungen

Scharfe Bilder sind in der Industrie unverzichtbar – insbesondere für eingebettete Systeme wie autonome mobile Roboter (AMRs), die visuelle SLAM-Algorithmen (VSLAM) verwenden. Nur mit einer guten Bildqualität können Kanten, Texturen und andere charakteristische Bildstrukturen zuverlässig erkannt und verarbeitet werden. Ist das Bild jedoch unscharf, erscheinen diese Strukturen verwaschen. Das erschwert die Erkennung sogenannter Keypoints oder Features – charakteristischer Bildpunkte, die VSLAM zur Positionsbestimmung und Kartierung nutzt. Unscharfe Bilder führen oft zu falschen oder gar fehlenden Deskriptoren – den Datenstrukturen, die die Eigenschaften eines Features eindeutig beschreiben.

Man kann sich das so vorstellen: Ein Regal im Lager trägt die Aufschrift „Reihe 4“. Wenn diese durch Unschärfe nicht mehr deutlich erkennbar ist, bleibt sie für den Algorithmus irrelevant – sie wird nicht als nutzbares Feature erkannt. Die Folge: Der Roboter verliert potenzielle Orientierungspunkte und navigiert weniger präzise durch seine Umgebung.

Im Falle von Barcodescanner, wie sie in der Logistik eingesetzt werden, sind Fehlscans möglich. In Deutschland kennt wohl jeder das Problem, dass Pfandflaschen in Automaten nicht erkannt werden. Das liegt natürlich zum Teil an der vorkommenden Verschmutzung der Flaschen, aber auch der Sensoren, aber durchaus auch an nicht optimal ausgesuchten Kameramodulen, die nicht ausreichend gut fokussiert sind. Die Gründe hierfür liegen einerseits in der Vibration der Maschinen und andererseits kann auch die Wärmeentwicklung hier dazu beitragen, dass nicht optimal angebrachte Optiken einen Fokusdrift erzeugen. Entscheidend ist also nicht nur die Berechnung optimaler Bildschärfe, sondern auch die praktische Umsetzung am Objektiv bzw. Bildsensor.

Schneller zur Massenproduktion mit vorgetuneten Kameramodulen der Serie FSM:GO

Um Prototypen noch schneller zu entwickeln, die später in Produkte für den Massenmarkt umgewandelt werden können, hat FRAMOS die FSM:GO-Serie auf den Markt gebracht. FSM:GO sind zentrierfokussierte, vorab abgestimmte Kameramodule, die sich ideal für eine Vielzahl von Anwendungen eignen und mit nur wenigen Informationen (wie dem Sichtfeld und der Auflösung) im Voraus eingerichtet werden können, um optimale Bildergebnisse zu erzielen. Dadurch profitieren Kunden von einer sehr kurzen Zeit zwischen Prototyp und Markteinführung und sparen so Kosten. FSM:GO-Kameramodule sind so konzipiert, dass sie je nach Anwendungsanforderungen fokussierbar sind, sodass nahezu immer optimale Ergebnisse erzielt werden. Eine zeitaufwändige Objektivbewertung oder Feinabstimmung ist nicht erforderlich.

Fazit

Die Fokussierung des Objektivs ist eine entscheidende Komponente für optimale Bildergebnisse. Sie entscheidet darüber, ob Anwendungen gut funktionieren oder anfällig für Störungen sind. Nicht nur die präzise Berechnung, sondern auch die fachkundige Montage von Sensor und Objektiv und das Testen der Konfiguration sind entscheidend für den späteren Erfolg. Neben der berechneten Schärfentiefe und dem Fokusabstand müssen auch die Umgebungsbedingungen wie Wärmeentwicklung und Vibrationen berücksichtigt werden.