MFT-Objektive in der Bildverarbeitung
Der Trend in der Machine Vision geht eindeutig in Richtung höhere Auflösungen, die Qualität des Bildes wird immer wichtiger. Höherer Detailreichtum führt zu höherer Erkennungssicherheit. Während in der Industrie viele Objektive mit festgeschraubter Blende und Fokus arbeiten, hat sich im Consumerbereich ein leistungsfähiger Objektivstandard mit steuerbaren Objektiven etabliert. Ist er industrietauglich?
Wie Micro Four Thirds entstand
Vor knapp 10 Jahren stellten Olympus und Panasonic den Micro Four Thirds (MFT) Standard für spiegellose Kameras der Öffentlichkeit vor. Der Standard definiert die Rahmenbedingungen um kompakte (Consumer-) Kamerasysteme mit Wechselobektiven zu bauen. Mittlerweile unterstützen namhafte Optikhersteller wie Jos. Schneider, Carl Zeiss oder Sigma den Standard.
Ziele von MFT
Um die (spiegellosen) Kamerasysteme kompakt zu halten wurde der Bildkreis auf 21,63 mm festgelegt und der Abstand Objektivbajonett-Sensor deutlich verringert. Die Steuerung der Objektive erfolgt über Aktoren im Objektiv (jedes Objektiv hat einen Prozessor) mit 11 im Bajonett innenliegenden Kontakten.
MFT in Machine Vision
Die Optikhersteller von Machine Vision Optiken sind mit den großformatigen Sensoren mit hoher Auflösung (z.B. Sony IMX304 mit 1,1“ und 12MP) konfrontiert. Jeden Monat kommen neue Objektive auf den Markt, dennoch sind Auflösungen von 12 MP oder besser noch selten und dann auch teuer.
MFT und MTF
Klassisch erfolgt die Messung der Auflösung über die Auswertung der MTF (Modulations-Transfer-Funktion). Ein genaues Studium von Machine Vision Objektiven offenbart zum Bildrand hin oft deutliche Schwächen in der Abbildungsleistung. Dieser Faktor gewinnt an Dramatik da die Kameras immer höher auflösen (mit kleineren Pixeln) und größerer Fläche. Ein großer IMX304 befindet sich mit seinen 17,52 mm Diagonale noch bequem im Bildkreis der MFT-Spezifikation. Für diese Spezifikation liefern große Optikhersteller exzellente, sehr gut dokumentierte MFT Objektive mit hervorragender MTF bis an den Bildrand. Asphärische Objektive mit niedrig brechenden Gläsern sind hier Standard.
MFT und CMOS
CMOS Sensoren finden zunehmend Verbreitung, gerade die Sony IMX Sensoren versprechen hohe Qualität. Fast alle CMOS Sensoren arbeiten zur Erhöhung der Lichtempfindlichkeit (und besseren Flächenabdeckung) mit Mikrolinsen. Hierbei hat jedes einzelne Pixel seine eigene Optik. Für diese Mikrolinsen-Optik sollte der Einfallswinkel des abbildenden Strahles optimalerweise senkrecht zur Sensorebene stehen. Je größer die Sensordiagonale, desto schräger treffen die Strahlen bei konventionellen Objektiven an den Rändern des Sensors auf. Die Folge ist ein Lichtverlust oder Shading bei großen Sensoren.
Moderne MFT Objektive sind meist bildseitig telezentrisch aufgebaut und sorgen so für eine gleichmäßige Ausleuchtung über den gesamten Sensor hinweg. Natürlich könnte man das radiale Shading auch in der Kamera ausgleichen, aber wer will schon seinen schönen, teuren dynamic Range an ein Objektiv-Shading opfern?
Mechanische Zuverlässigkeit
MFT Objektive haben auch Nachteile. In vielen Machine Vision Applikationen wird eine Optik einmal eingestellt und so soll sie dann auch auf ewig bleiben, ein variabler Fokus stellt da einen Unsicherheitsfaktor dar. Oftmals ist der AF jedoch auch abschaltbar. Consumer behandeln ihre Technik nicht immer gut. So erwiesen sich Objektive in nicht repräsentativen Tests als erstaunlich robust und fokussierten auch nach über einer Mio Focus-Vorgängen noch einwandfrei (siehe inVision 2/2014 ). Moderne magnetische Lager und enge Toleranzen bei der Serienfertigung überzeugen hier. Und das Angebot ist breit, Brennweiten von 7 – 300 mm stehen in den Regalen.
Neue Möglichkeiten für Machine Vision
Machine Vision verläßt mittlerweile den Bereich des Anlagenbaus mit statischen Geometrien in der Abbildung. Immer öfter sind neue Konzepte gefragt, die mit einem gesteuerten Objektiv (Fokus, Zoom, Blende) elegant zu lösen sind, weil die Objektabstände eben nicht mehr statisch wie auf dem Fließband sind, sondern immer wieder neu für jedes Objekt justiert werden müssen. Machine Vision Kameras wie die EXO304 Tracer mit MFT Bajonett locken hier mit neuen Möglichkeiten. Für Industrie 4.0 mit dem „Stückzahl 1“-Ansatz und vorsichtiger (Beschleunigungswerte!) agierenden Robotern (collaborative robots) stellt eine individuell steuerbare Optik einen großen Vorteil dar.
Ökonomisch!
Hochwertige Optiken waren noch nie wirklich billig und werden es auch in Zukunft nicht sein. Dennoch: Die Serienfertigung in großem (Consumer-) Maßstab ermöglicht hochwertige MFT Objektive zu einem äußerst attraktiven Preis-Leistungs-Verhältnis. Sie sind in der Qualität vielen industriellen Optiken mindestens ebenbürtig und sofort verfügbar.
und Blende individuell zu steuern neue Perspektiven für die Bildverarbeitung. (© SVS-Vistek GmbH)
Fazit
Machine Vision verändert sich – sowohl in der Technik von Kameras und Objektiven wie auch in den Anforderungen an Machine Vision. Die aktuellen Entwicklungen bei Kamerasensoren um 1“ ergänzen sich ideal mit dem Leistungsspektrum von Micro Four Thirds Optiken. Per GenICam steuerbarer Fokus, Zoom und Blende bietet neue Möglichkeiten für Machine Vision. Wir müssen sie nur nutzen. Kameras wie die EXO304 Tracer mit MFT von SVS-Vistek stellen dem Systemintegrator schon heute neue, zuverlässige, hochwertige und leicht integrierbare Instrumente zur Verfügung.