{"id":15528,"date":"2025-06-30T13:26:16","date_gmt":"2025-06-30T13:26:16","guid":{"rendered":"https:\/\/framos.com\/articles\/lens-focusing-embedded-vision-systems\/"},"modified":"2025-09-01T09:28:24","modified_gmt":"2025-09-01T09:28:24","slug":"die-rolle-der-linsenfokussierung-in-eingebetteten-sehsystemen","status":"publish","type":"articles","link":"https:\/\/framos.com\/de\/fachartikel\/die-rolle-der-linsenfokussierung-in-eingebetteten-sehsystemen\/","title":{"rendered":"Die entscheidende Rolle der Linsenfokussierung in eingebetteten Systemen mit Sehf\u00e4higkeit"},"content":{"rendered":"\n

Eingebettete Systeme sind allgegenw\u00e4rtig. Sie finden sich in Flugzeugen als Flugsteuerungssysteme, in Autos als Infotainmentsysteme oder Fahrerassistenzsysteme (ADAS)<\/strong> und nat\u00fcrlich in unserem Alltag als Grundlage f\u00fcr Smartphones. Ein Anwendungsbereich sind autonome mobile Roboter (AMR). Ohne die F\u00e4higkeit, ihre Umgebung wahrzunehmen, sind sie blind. <\/p>\n\n

Neben LiDAR sind Stereokameras und Time-of-Flight-Kameras die erste Wahl, wenn es um Sensoren geht, die diesen AMRs das Sehen ihrer Umgebung erm\u00f6glichen. Die Zuverl\u00e4ssigkeit der generierten Daten ist dabei entscheidend \u2013 wie zu erwarten. Entwickler erstellen Algorithmen, damit AMRs mit Hilfe von Kameras sicher navigieren k\u00f6nnen<\/a>. Dies geschieht mit Hilfe von visuellen SLAM-Algorithmen (VSLAM, Visual Simultaneous Localization and Mapping). <\/p>\n\n

Diese m\u00fcssen sie so aufbauen, dass ihre AMRs Bildmerkmale zuverl\u00e4ssig erkennen und verarbeiten k\u00f6nnen. Das ist jedoch nur m\u00f6glich, wenn der eingebaute Sensor und seine Optik perfekt aufeinander und auf diese Anwendung abgestimmt sind.<\/p>\n\n

Die richtige Auswahl des Sensors und des Objektivs<\/h2>\n\n

Zun\u00e4chst einmal ist es nat\u00fcrlich entscheidend, dass der Bildsensor und das Objektiv f\u00fcr die Anwendung geeignet sind<\/strong>. In der Logistik m\u00fcssen beispielsweise Waren auf F\u00f6rderb\u00e4ndern gescannt werden, was Weitwinkel-Sensoren erfordert, w\u00e4hrend AMRs in der Regel Stereokamera-Setups oder Bildsensoren ben\u00f6tigen, um r\u00e4umlich zu sehen, sowie Time-of-Flight-Sensoren, um Entfernungen zu messen. F\u00fcr alle Anwendungen, unabh\u00e4ngig davon, ob es sich um AMRs oder F\u00f6rderband-Scanner handelt, muss zun\u00e4chst das Objektiv<\/a> so ausgew\u00e4hlt werden, dass alle effektiven Pixel mit dem richtigen Einfallswinkel beleuchtet werden. <\/p>\n\n

Technisch gesehen muss das Licht vollst\u00e4ndig auf die Brennebene fallen, damit ein scharfes Bild entsteht. Was jedoch je nach Anwendung stark variieren kann, ist, ob es eine feste Position f\u00fcr eine Kamera gibt und wie weit die zu erfassenden Objekte entfernt sind. So kann eine Vorauswahl der Objektive getroffen werden. <\/p>\n\n

Um beispielsweise ein weites Feld zu erfassen, ist ein Weitwinkelobjektiv erforderlich, w\u00e4hrend Teleobjektive ideal f\u00fcr die Aufnahme weiter entfernter Objekte sind. <\/p>\n\n

Anwendungsdetails vor der Linsenfokussierung<\/h2>\n\n

Bevor \u00fcberhaupt an die Fokussierung des Objektivs gedacht wird, m\u00fcssen zun\u00e4chst die Anwendungsanforderungen ermittelt werden. Diese schr\u00e4nken dann die Auswahl an geeigneten Komponenten ein. <\/p>\n\n

Sobald der Bildsensor und ein passendes Objektiv gefunden sind, werden die Teile zusammengebaut. Allerdings werden die Umgebungsbedingungen vor Ort oft untersch\u00e4tzt. Thermische Belastungen k\u00f6nnen nicht nur zu Bildrauschen f\u00fchren, sondern auch das Objektiv defokussieren, wenn es nicht fachgerecht integriert ist. Diese Integration basiert auf zuverl\u00e4ssigen Tests durch Simulationen<\/a>, bis ein geeigneter Prototyp gebaut werden kann. <\/p>\n\n

Neben der Herausforderung, die W\u00e4rmeentwicklung richtig zu adressieren, k\u00f6nnen auch Feuchtigkeit (z. B. bei Kameras, die Regen ausgesetzt sind) oder Verunreinigungen wie Ru\u00dfpartikel eine Rolle spielen.<\/p>\n

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\n Pr\u00e4zision durch fachm\u00e4nnische Objektivkalibrierung sicherstellen <\/h2>\n \n

\n \u00dcberlassen Sie die aktive Ausrichtung und Kalibrierung des Objektivs nicht dem Zufall:
Kontaktieren Sie uns f\u00fcr eine zuverl\u00e4ssige und dauerhafte Funktionalit\u00e4t Ihres Objektivs! <\/p>\n \n

\n \n Kontaktieren Sie uns<\/span>\n
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Die richtige Einstellung der Linse: Linsenfokussierung in wenigen Schritten<\/strong><\/h2>\n\n

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. <\/p>\n\n

Damit stellt sich die Frage, wie gro\u00df die Sch\u00e4rfentiefe (DOF) ist<\/strong>. Die Sch\u00e4rfentiefe bezeichnet den Raum zwischen dem n\u00e4chstgelegenen und dem am weitesten entfernten zu fotografierenden Objekt, in dem noch eine akzeptable Sch\u00e4rfe erreicht werden kann. <\/p>\n\n

Die Sch\u00e4rfentiefe 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 sch\u00e4rfer wird das Bild in der Regel. <\/p>\n\n

Leider wirkt sich dies auf die Helligkeit des Bildes aus, da nur wenig Licht in das Objektiv eintritt und somit auf die Sensorfl\u00e4che f\u00e4llt. Sie m\u00fcssen also Vor- und Nachteile abw\u00e4gen, um das perfekte Ergebnis zu erzielen. <\/p>\n\n

Die Sch\u00e4rfentiefe berechnen f\u00fcr den optimalen Linsenfokus<\/strong><\/h2>\n\n

Um herauszufinden, wie gro\u00df das Feld sein muss, um ein akzeptabel scharfes Bild zu erhalten, also die Sch\u00e4rfentiefe (Depth of Field, DOF), k\u00f6nnen Sie die Sch\u00e4rfentieferegelung verwenden:<\/p>\n\n\n DOF\n =\n \n \n 2\n u2\n \n N\n c\n \n f2\n \n\n\n

u steht f\u00fcr den Abstand zum abzulichtenden Objekt, N bezeichnet die Blendenzahl, c ist der Zerstreuungskreis und f die Brennweite.<\/em><\/p>\n\n

Bildgebungsexperten verwenden diese Formel und ermitteln in Labors anhand verschiedener Abst\u00e4nde, Blendengr\u00f6\u00dfen, Zerstreuungskreise und Brennweiten die optimale Sch\u00e4rfe. Dazu verwenden sie Testcharts mit spezieller Software unter kontrollierten Lichtbedingungen, bei denen die Kanten auf optimale Sch\u00e4rfe \u00fcberpr\u00fcft werden. Alternativ kommen Kollimatoren zum Einsatz. Das sind Vorrichtungen zur B\u00fcndelung von Strahlen, die dabei helfen, scharfe Bilder f\u00fcr sehr kleine oder sehr gro\u00dfe Entfernungen zu erzeugen. Das ist nat\u00fcrlich nur ein kleiner Teil des Prozesses zur Ermittlung der optimalen L\u00f6sung. Neben der Feinabstimmung der Fokusentfernung sind nat\u00fcrlich weitere Optimierungsarbeiten erforderlich, wie beispielsweise die thermische Defokussierungsimmunisierung und der Montageprozess im Allgemeinen, auf die wir in anderen Artikeln eingehen werden. <\/p>\n\n

Der Nutzen von perfekt fokussierten Linsen f\u00fcr industrielle Anwendungen<\/strong><\/h2>\n\n

Scharfe Bilder sind in der Industrie unverzichtbar \u2013 insbesondere f\u00fcr eingebettete Systeme wie autonome mobile Roboter (AMRs), die visuelle SLAM-Algorithmen (VSLAM) verwenden. Nur mit einer guten Bildqualit\u00e4t k\u00f6nnen Kanten, Texturen und andere charakteristische Bildstrukturen zuverl\u00e4ssig erkannt und verarbeitet werden. Ist das Bild jedoch unscharf, erscheinen diese Strukturen verwaschen. Das erschwert die Erkennung sogenannter Keypoints<\/em> oder Features<\/em> \u2013 charakteristischer Bildpunkte, die VSLAM zur Positionsbestimmung und Kartierung nutzt. Unscharfe Bilder f\u00fchren oft zu falschen oder gar fehlenden Deskriptoren \u2013 den Datenstrukturen, die die Eigenschaften eines Features eindeutig beschreiben. <\/p>\n\n

Man kann sich das so vorstellen: Ein Regal im Lager tr\u00e4gt die Aufschrift \u201eReihe 4\u201c. Wenn diese durch Unsch\u00e4rfe nicht mehr deutlich erkennbar ist, bleibt sie f\u00fcr den Algorithmus irrelevant \u2013 sie wird nicht als nutzbares Feature erkannt. Die Folge: Der Roboter verliert potenzielle Orientierungspunkte und navigiert weniger pr\u00e4zise durch seine Umgebung. <\/p>\n

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\"Der<\/figure>\n<\/div>\n

Im Falle von Barcodescanner, wie sie in der Logistik eingesetzt werden, sind Fehlscans m\u00f6glich. In Deutschland kennt wohl jeder das Problem, dass Pfandflaschen in Automaten nicht erkannt werden. Das liegt nat\u00fcrlich 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 Gr\u00fcnde hierf\u00fcr liegen einerseits in der Vibration der Maschinen und andererseits kann auch die W\u00e4rmeentwicklung hier dazu beitragen, dass nicht optimal angebrachte Optiken einen Fokusdrift erzeugen. Entscheidend ist also nicht nur die Berechnung optimaler Bildsch\u00e4rfe, sondern auch die praktische Umsetzung am Objektiv bzw. Bildsensor. <\/p>\n\n

Schneller zur Massenproduktion mit vorgetuneten Kameramodulen der Serie FSM:GO<\/strong><\/h2>\n\n

Um Prototypen noch schneller zu entwickeln, die sp\u00e4ter in Produkte f\u00fcr den Massenmarkt umgewandelt werden k\u00f6nnen, hat FRAMOS die FSM:GO-Serie auf den Markt gebracht. FSM:GO sind zentrierfokussierte, vorab abgestimmte Kameramodule, die sich ideal f\u00fcr eine Vielzahl von Anwendungen eignen und mit nur wenigen Informationen (wie dem Sichtfeld und der Aufl\u00f6sung) im Voraus eingerichtet werden k\u00f6nnen, um optimale Bildergebnisse zu erzielen. Dadurch profitieren Kunden von einer sehr kurzen Zeit zwischen Prototyp und Markteinf\u00fchrung und sparen so Kosten. FSM:GO-Kameramodule <\/a>sind so konzipiert, dass sie je nach Anwendungsanforderungen fokussierbar sind, sodass nahezu immer optimale Ergebnisse erzielt werden. Eine zeitaufw\u00e4ndige Objektivbewertung oder Feinabstimmung ist nicht erforderlich. <\/p>\n

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\n Beschleunigen Sie Ihr Visionsprojekt mit FSM:GO <\/h2>\n \n

\n Mit FSM:GO gelangen Sie in nur wenigen Schritten vom Prototyp zur Markteinf\u00fchrung <\/p>\n \n

\n \n Get started<\/span>\n
\n \n \n <\/svg>\n <\/div>\n <\/a>\n\n \n Erfahren Sie mehr \u00fcber FSM:GO<\/span>\n \u2192<\/span>\n <\/a>\n \n <\/div>\n\n \n \n \n \n \n \n <\/radialGradient>\n <\/defs>\n <\/svg>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n

Fazit<\/h2>\n\n

Die Fokussierung des Objektivs ist eine entscheidende Komponente f\u00fcr optimale Bildergebnisse. Sie entscheidet dar\u00fcber, ob Anwendungen gut funktionieren oder anf\u00e4llig f\u00fcr St\u00f6rungen sind. Nicht nur die pr\u00e4zise Berechnung, sondern auch die fachkundige Montage von Sensor und Objektiv und das Testen der Konfiguration sind entscheidend f\u00fcr den sp\u00e4teren Erfolg. Neben der berechneten Sch\u00e4rfentiefe<\/a> und dem Fokusabstand m\u00fcssen auch die Umgebungsbedingungen wie W\u00e4rmeentwicklung und Vibrationen ber\u00fccksichtigt werden. <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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