Bildverarbeitung

Flüssig im Fokus: Schneller und flexibler durch Kameras mit Flüssiglinsen

| Autor / Redakteur: Dr. Boris Lange und Heiko Seitz* / Ines Stotz

Mit Flüssiglinsen ausgestattete Kameras fokussieren in Millisekunden auf unterschiedliche Objektabstände – und das für Millionen von Zyklen, verschleißfrei und ohne bewegliche Teile.
Mit Flüssiglinsen ausgestattete Kameras fokussieren in Millisekunden auf unterschiedliche Objektabstände – und das für Millionen von Zyklen, verschleißfrei und ohne bewegliche Teile. (Bild: IDS)

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Flüssiglinsen machen Kameraanwendungen viel flexibler, indem sie sowohl beim initialen Einrichten des Bildes, als auch mit schnellen Korrekturen der Fokussierung im laufenden Betrieb unterstützen.

Viele Bildverarbeitungsanwendungen haben es mit häufigem Wechsel des Arbeitsabstandes zu tun. Da immer mehr Fertigungsanlagen nicht mehr nur für die Massenproduktion sondern auch in Kleinserien rentabel arbeiten sollen, muss die Anpassung auf neue Produkte und damit unterschiedliche Arbeitsabstände einfach und schnell zu bewerkstelligen sein. Mit Flüssiglinsen ausgestattete Kameras fokussieren in Millisekunden auf unterschiedliche Objektabstände – und das für Millionen von Zyklen, verschleißfrei und ohne bewegliche Teile. Mit den modularen „Active Focus“ (AF) Boardlevel-Kameras von IDS und den Flüssiglinsen-Objektiven von Edmund Optics (EO) lassen sich Kameraanwendungen mit variablen Objektabständen nun einfacher umsetzen.

Corning Varioptic Flüssiglinsen – Prinzip Elektrobenetzung

Die Corning Varioptic Flüssiglinsen basieren auf dem Prinzip der Elektrobenetzung, d. h. der Manipulation der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit durch ein elektrisches Feld. Die damit mögliche Verformung eines Wassertropfens kann funktional wie eine optische Linse genutzt werden. Diesem Prinzip folgend bestehen die Flüssiglinsen aus einer Zelle mit zwei unmischbaren Flüssigkeiten, deren unterschiedliche Brechungsindizes das Licht an der Grenzfläche ebenso brechen, wie es bei einer konventionellen Linse aus Glas der Fall ist. Mit Anlegen einer Spannung von bis zu 70 V verändert sich das Verhältnis Oberflächenspannung zwischen den Flüssigkeiten, wodurch der Krümmungsradius der sphärischen Grenzfläche gezielt steuerbar wird.

S-Mount Objektive – basierend auf Corning Varioptic Flüssiglinsen

EO hat auf der letztjährigen Vision Stuttgart, der internationalen Fachmesse für industrielle Bildverarbeitung, eine neue, auf Corning Varioptic Flüssiglinsen basierende Serie von S-Mount (M12) Objektiven vorgestellt. Die Integration der Flüssiglinse an Stelle der Apertur ermöglicht ein kompaktes Objektiv-Design und eine kleine Blendenzahl von F/2.4 bei allen vier Brennweiten (6 bis 16 mm).

Da das Optikdesign auf die Flüssiglinsen abgestimmt ist, bietet die Produktserie eine hohe Bildqualität auf großen Sensorformaten von 1/2“ bzw. 1/1.8“. Das optomechanische Design unterstützt eine unkomplizierte Handhabung der Objektive. Diese werden bis zum mechanischen Anschlag eingeschraubt, die Fokussierung zwischen dem Mindestabstand und Unendlich erfolgt anschließend über die Flüssiglinse. Zusätzlich ist die hintere Linsengruppe abnehmbar, so dass der Anwender direkten Zugang zur Flüssiglinse hat. Dies ermöglicht die Drehung der Flüssiglinse um 180°, was den elektrischen Anschluss an die Kamera erleichtert.

Boardlevel-Platinenkameras mit S-Mount oder CS-/C-Mount

Mit den uEye LE USB 3.1 Gen 1 „AF“ Modellen bietet IDS Imaging Development Systems kostengünstige Boardlevel-Platinenkameras mit S-Mount oder CS-/C-Mount als fokussierbare Varianten an. Die Flüssiglinsensteuerung wird über ein zusätzliches Connectorboard realisiert, das mit den digitalen Ein- und Ausgängen der Kameraplatine verbunden ist, wodurch auch die I2C Kommunikation mit dem Flüssiglinsentreiber ermöglicht wird. Durch die vollständige Implementierung der Varioptic in der uEye Software, kann der Fokus der Industriekamera bequem per Benutzeroberfläche bzw. über die uEye Programmierschnittstelle justiert werden.

Das modulare Kamerakonzept erlaubt sowohl seitens der Software als auch der Hardware eine einfache Erweiterungsmöglichkeit für verschiedene Anwendungen. Der Anwender kann die benötigte Flüssiglinse selbst bestimmen und montieren. Kompatibel sind alle Objektive, welche auf einer Varioptic Flüssiglinse basieren.

Varioptic Flüssiglinse in IDS NXT vegas Plattform

Eine Varioptic Flüssiglinse kommt in der ebenfalls neuen IDS NXT vegas Plattform zum Einsatz. Im komplett geschlossenen und nach IP65 geschützten Kameragehäuse ist eine Flüssiglinse die perfekte optische Komponente, um dem Anwender per Software die Kontrolle über die Fokusebene des wandlungsfähigen Embedded Vision Systems zu geben. Unterstützt durch einen ToF-Sensor (Time-of-Flight) zur Abstandsmessung fokussiert die integrierte Flüssiglinse automatisch in Millisekunden und liefert scharfe Bilder, z. B. im Vermessungsaufgaben, fahrerlosen Transportsystemen oder im Überwachungsbereich bei Personenkontrollen.

Einfach integrierbare Fokus-Lösung

Flüssiglinsen maximieren die Flexibilität von Kameraanwendungen, indem sie sowohl beim initialen Einrichten des Bildes, als auch mit schnellen Korrekturen der Fokussierung im laufenden Betrieb unterstützen. Gerade wenn Kameras an schwer zugänglichen Stellen eingesetzt werden, kann der Fokus bequem per Software nachjustiert werden.

Mit den von IDS neu entwickelten uEye LE USB 3.1 Gen 1 Kameramodellen mit Active Focus und den Flüssiglinsenobjektiven von EO gibt es nun eine sehr einfach zu integrierende Fokus-Lösung auf dem Markt, mit der konventionelle Anwendungen mit weniger Zeit und Kostenaufwand umsetzbar sind. Auf der anderen Seite können damit aber auch komplett neue Anwendungsfelder adressiert werden, die scharfe Aufnahmen auch bei variablen Objektabständen benötigen.

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* Dr. Boris Lange, Manager Imaging Europe, Edmund Optics und Heiko Seitz, Technischer Redakteur, IDS Imaging Development Systems

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