Vom Knick in der Optik
Wie Stöße und Vibrationen Visionsysteme beeinflussen
Industrielle Visionsysteme sind häufig starken Beschleunigungen, Stößen und Vibrationen ausgesetzt. Dies gilt für mobile Systeme, wie z.B. robotergeführte 3D-Scanner, sowie ortsfeste Installationen. In einer speziellen Testprozedur wurde jetzt der Einfluss von Stößen und Vibrationen auf industrielle Kameraobjektive mit Festbrennweite untersucht. Dabei zeigte sich teilweise ein erheblicher Abfall des Auflösungsvermögens sowie eine Verschiebung der optischen Achse.
Bild: Fujifilm Optical DevicesModerne Roboterarme sind so leistungsstark, dass sie signifikante Lasten mit dem Vielfachen der Erdbeschleunigung in Bewegung versetzen und bremsen können. Roboter-geführte Bildverarbeitungssysteme, wie sie bei Schweiß- und Montagerobotern oder in 3D-Scanning-Anlagen zum Einsatz kommen, müssen diesen Beschleunigungen standhalten. Hierbei treten Werte von bis zu 10G auf. Zum Vergleich: Selbst bei den wildesten Achterbahnen wirken maximal 6G auf die Passagiere. Zusätzlich sind speziell die Objektive den Vibrationen an der Spitze der Roboterarme ausgesetzt.
Standardisierter Testablauf
In den meisten Bildverarbeitungsinstallationen kommen industrielle Kameras und Objektive mit Festbrennweiten und C-Mount zum Einsatz, die auch unter den schwierigen Bedingungen im industriellen Umfeld eine konstante Bildqualität liefern müssen. Daher hat Fujifilm einen Testaufbau zur Messung der Robustheit gegen Stöße und Vibrationen für Objektive entwickelt: In der Anordnung werden den Objektiven erst Stöße aus sechs unterschiedlichen Richtungen senkrecht zur optischen Achse mit einer Stärke von 10G zugefügt. Anschließend setzt ein Vibrationstisch die Objektive verschiedenen sinusförmigen Vibrationen gemäß IEC60068-2-6 aus: Die Vibrationen haben zunächst eine Amplitude von 0,75mm und steigern sich von 10 bis 60Hz. Von 60 bis 500Hz wirken Beschleunigungen von 100m/s² (ca.10G). Anschließend wird die Vibrationsfrequenz wieder reduziert. Dieser Zyklus wiederholt sich 50 mal. Final wirken abermals 10G-Stöße aus sechs unterschiedlichen Richtungen senkrecht zur optischen Achse auf die Objektive.
Bild: Fujifilm Optical DevicesReduziertes Auflösungsvermögen
Nach dem Test traten Änderungen in der Position der optischen Achse und des Auflösungsvermögens der Objektive auf. Die Ergebnisse zeigen, dass sich durch Stöße, Vibrationen und abermalige Stöße die optische Achse konventioneller Objektive um bis zu 26µm verschiebt. Viele der heutzutage immer öfter eingesetzten CMOS Global Shutter Sensoren besitzen jedoch Pixel mit einer Kantenlänge von 3,45µm und einer Diagonale von 4,88µm. Bei diesen Sensoren verschiebt sich die Achse also um sechs bis acht Pixel. Verschiebungen in dieser Dimension sind für hochgenau kalibrierte Messsysteme wie 3D-Scanner nicht tolerierbar. Das Auflösungsvermögen der Objektive wurde vor und nach dem Test mit Hilfe eines mit sehr kleinem Text bedruckten Testcharts gemessen. Normalerweise kommen hierfür Charts mit so genannten Siemenssternen zum Einsatz. Hierüber lässt sich das maximale Auflösungsvermögen einer Kamera-Objektiv-Anordnung bestimmen, dies jedoch stets nur an wenigen bestimmten Bereichen im Bild. Im Gegensatz dazu liefert das gleichmäßig mit kleinem Text bedruckte Chart die Verteilung der Kontrastintensität über das gesamte Kamerabild. Entscheidend ist hier lediglich der Vergleich der berechneten Kontraststärke vor und nach dem Test. Auch hier zeigte sich, dass der mechanische Stress des Testablaufs bei den meisten Objektiven zu einer deutliche Abnahme des Kontrasts und damit des Auflösungsvermögens führt. Ein Verhalten, das diese Optiken für raue industrielle Einsatzszenarien unbrauchbar macht.
Einige wenige Objektive konnten jedoch den enormen Belastungen des Tests deutlich besser standhalten. Bei ihnen verschob sich die optische Achse lediglich um vier bis maximal 10µm, was bei o.g. Bildsensoren lediglich ein bis drei Pixeln entspricht. Insbesondere das Auflösungsvermögen blieb so gut erhalten, dass keine Abnahme der Kontraststärke messbar war. Ausschließlich diese Art von Objektiven erfüllt die Anforderungen von Bildverarbeitungssystemen, die mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
Testsieger
Eine genauere Untersuchung ergab, dass bei den wenig robusten Objektiven die innenliegenden Linsen starr mit Hochleistungsklebern fixiert waren. Den Stößen und Vibrationen des Tests konnte dieser Kleber allerdings nicht standhalten. Einige Linsen lösten und verschoben sich. Zudem ist bekannt, dass Kleber auf Feuchtigkeit und Temperaturwechsel empfindlich reagieren. Im Gegensatz dazu besitzen die robusten Objektive eine elastische Fixierung der internen Linsenanordnung. Sie ist zur Patentierung angemeldet und minimiert die Menge des benötigten Klebers. Die Fujinon HF-12M Objektivserie für 2/3"~1"-Sensoren mit 2,1µm Pixeln sowie die 6 und 50mm Modelle der HF-5M-Serie für bis zu 1.1"-Sensoren mit 3,45µm Pixeln sind bereits entsprechend dieses Konzepts aufgebaut.
Fazit
Bei der Auswahl von Kameraobjektiven für mechanisch beanspruchte Bildverarbeitungssysteme ist neben der optischen Leistungsfähigkeit insbesondere auch ihre Robustheit gegenüber Stößen und Vibrationen entscheidend. Da diese Informationen oft nicht aus den Datenblättern hervorgehen, empfiehlt es sich, einen kompetenten Berater hinzuzuziehen. Entwickler sollten idealerweise reproduzierbare und realitätsnahe Vergleichstests mit verschiedenen Optiken durchführen. Nur so lassen sich böse Überraschungen vermeiden, wie eine über die Zeit degradierende Bildqualität und falsche Messergebnisse der Bildverarbeitungssysteme.
Industrielle Visionsysteme sind häufig starken Beschleunigungen, Stößen und Vibrationen ausgesetzt. Dies gilt für mobile Systeme, wie z.B. robotergeführte 3D-Scanner, sowie ortsfeste Installationen. In einer speziellen Testprozedur wurde jetzt der Einfluss von Stößen und Vibrationen auf industrielle Kameraobjektive mit Festbrennweite untersucht. Dabei zeigte sich teilweise ein erheblicher Abfall des Auflösungsvermögens sowie eine Verschiebung der optischen Achse.
Bild: Fujifilm Optical DevicesModerne Roboterarme sind so leistungsstark, dass sie signifikante Lasten mit dem Vielfachen der Erdbeschleunigung in Bewegung versetzen und bremsen können. Roboter-geführte Bildverarbeitungssysteme, wie sie bei Schweiß- und Montagerobotern oder in 3D-Scanning-Anlagen zum Einsatz kommen, müssen diesen Beschleunigungen standhalten. Hierbei treten Werte von bis zu 10G auf. Zum Vergleich: Selbst bei den wildesten Achterbahnen wirken maximal 6G auf die Passagiere. Zusätzlich sind speziell die Objektive den Vibrationen an der Spitze der Roboterarme ausgesetzt.
FUJIFILM Optical Devices
Dieser Artikel erschien in inVISION 1 2018 - 06.03.18.Für weitere Artikel besuchen Sie www.invision-news.de
