Die Wahl des richtigen Objektivs ist bei eingebetteten Kamerasystemen genauso wichtig wie die Auswahl des Sensors. Ein Schlüsselfaktor ist die Blendenzahl (F-Zahl), ein entscheidender Parameter, der Lichteinfall, Belichtungssteuerung und Bildschärfe direkt beeinflusst. Dieser Blogbeitrag beleuchtet die Rolle der Blendenzahl bei der Leistung in schwachem Licht, der Schärfentiefe und der Energieeffizienz. Sie erfahren außerdem, wie sie die Kompatibilität von Sensor und Objektiv beeinflusst und die Objektivauswahl für praktische Anwendungen erleichtert. Profitieren Sie von Expertenwissen zur Optimierung der Bildgebung in industriellen, medizinischen und Überwachungsanwendungen.
In eingebetteten Bildverarbeitungssystemen ist die Bildqualität das Ergebnis mehrerer miteinander verbundener Komponenten. Während Sensoren und Verarbeitungseinheiten oft im Fokus stehen, spielen das Linsensystem und seine Parameter eine ebenso wichtige Rolle.
Eine solche Kennzahl ist die Blendenzahl (oder Blendenöffnung), die den Einfluss von Lichteinfall, Belichtung und Bildschärfe bewertet.
In diesem Blog erhalten Sie Experteneinblicke in die Blendenzahl (F-Zahl), ihre Auswirkungen auf eingebettete Kameras und die Auswahlkriterien für diesen Parameter.
Was ist die F-Zahl?
Die Blendenzahl (F-Zahl) gibt das Verhältnis der Brennweite einer Linse zur Größe ihrer Blendenöffnung an. Da sie zwei Längen vergleicht, gilt sie als dimensionslose Größe. Mathematisch lässt sich dieses Verhältnis wie folgt darstellen:
Blendenzahl (N) = Brennweite / Aperturdurchmesser
Ein Objektiv mit einer niedrigeren Blendenzahl (F-Zahl) hat eine größere Blendenöffnung, während eine höhere Blendenzahl einer kleineren Blendenöffnung entspricht. Dies beeinflusst direkt die Lichtmenge, die auf den Sensor trifft. Beispielsweise lässt ein Objektiv mit einer Blendenzahl von 1,8 mehr Licht in das System als eines mit einer Blendenzahl von 4.
Der Unterschied kann bei schlechten Lichtverhältnissen entscheidend sein, da eine höhere Lichtausbeute dazu beiträgt, detailreiche Bilder mit weniger Rauschen aufzunehmen.
Wie sich die Blendenzahl auf die Leistung eingebetteter Kameras auswirkt
Aufnahmen bei schwachem Licht
Eingebettete Bildverarbeitungssysteme, die in der Industrieautomation, der Landwirtschaft und im Gesundheitswesen eingesetzt werden, arbeiten in Umgebungen mit ungleichmäßigen und unvorhersehbaren Lichtverhältnissen. Ein Objektiv mit kleinerer Blendenzahl erhöht die Anzahl der auf den Sensor treffenden Photonen und verbessert so die Bildhelligkeit.
Auf diese Weise lässt sich die Abhängigkeit von Einstellungen mit hoher Verstärkung, die unerwünschte Artefakte oder Signalrauschen verursachen können, erheblich reduzieren.
DoF -Steuerung
Die Blendenzahl (F-Zahl) beeinflusst die Schärfentiefe – den Bereich eines Bildes, der scharf abgebildet wird. Eine niedrigere Blendenzahl führt zu einer geringeren Schärfentiefe. Dies ist nützlich, wenn die Anwendung die Isolierung von Vordergrundobjekten erfordert, beispielsweise bei Objekterkennungs- oder Fehlererkennungssystemen.
Eine höhere Blendenzahl (F-Zahl) erhöht jedoch die Schärfentiefe, was sich besser für Logistik- oder Überwachungsanwendungen eignet, bei denen mehrere Fokusebenen relevant sind.
Belichtung und Bildrate
Die Belichtungszeit eingebetteter Kameras hängt von der verfügbaren Lichtmenge ab. Eine größere Blendenöffnung, die durch eine niedrigere Blendenzahl (F-Zahl) erreicht wird, verkürzt die Belichtungszeit. Dies kann beispielsweise bei der Aufnahme schnell bewegter Objekte oder bei hohen Bildraten der Fall sein. Im Gegensatz dazu erhöht eine kleinere Blendenöffnung den Belichtungsbedarf und kann die Leistung in dynamischen Szenen beeinträchtigen.
Thermische und Leistungsaspekte
Längere Belichtungszeiten und hohe Verstärkungseinstellungen führen zu einer erhöhten thermischen Belastung der Sensoren und Verarbeitungseinheiten. Das System kann diese Belastung reduzieren, indem es ausreichend Licht durch eine größere Apertur einfängt. Dadurch lassen sich eine geringere Wärmeabgabe und ein niedrigerer Stromverbrauch erzielen, was wiederum die Hardwarekonstruktion und die thermische Gehäusekonstruktion in eingebetteten Systemen beeinflusst.
Sensorkompatibilität
Objektive und Sensoren müssen als Einheit funktionieren. Eine Abweichung der Parameter kann daher den optischen Durchsatz des Systems verringern. Beispielsweise kann Beugung zu Unschärfe in den aufgenommenen Bildern führen, wenn ein Sensor mit kleinem Pixelabstand mit einem Objektiv mit hoher Blendenzahl kombiniert wird. Die Abstimmung von Sensorgröße, Pixelabstand und Blendenzahl trägt dazu bei, Kontrast und Schärfe im gesamten Bildfeld zu erhalten.
Eine große Blendenöffnung ermöglicht eine bessere Lichterfassung, insbesondere bei Sensoren mit kleinen Pixelgrößen. Sie ist jedoch auch anfällig für Probleme wie sphärische Aberrationen und Vignettierung, wenn das Linsendesign die optischen Herausforderungen nicht kompensiert.
Auswahlkriterien in eingebetteten Anwendungen
- Hochgeschwindigkeits-Bewegungsaufnahmen: Ein Objektiv mit niedriger Blendenzahl minimiert Bewegungsunschärfe bei kurzen Belichtungszeiten.
- Helle, statische Einstellungen: Ein Objektiv mit höherer Blendenzahl bietet eine größere Schärfentiefe ohne Leistungseinbußen.
- Kompaktes Design: Der Formfaktor des Systems begrenzt den Linsendurchmesser, wodurch ein Gleichgewicht zwischen Blendenzahl, Größe und thermischen Gegebenheiten erforderlich wird.
- Leistung im Freien: Unterschiedliche Lichtverhältnisse erfordern ein Objektiv mit verstellbarer Blende, um plötzlichen Änderungen gerecht zu werden.
Weitere Überlegungen zur Blendenzahl bei eingebetteten Kameras
Abweichungen
Objektive mit niedrigen Blendenzahlen können optische Abbildungsfehler wie chromatische Aberrationen oder Streulicht verursachen. Einige Objektive verfügen über spezielle Beschichtungen, um diese Probleme zu beheben, was jedoch die Kosten und die Integrationskomplexität erhöhen kann. Auch die Vignettierung, bei der die Bildecken dunkler erscheinen, tritt bei größeren Blendenöffnungen deutlicher hervor.
Bilduniformität
Um eine gleichmäßige Helligkeit und Schärfe im gesamten Bildfeld zu gewährleisten, ist die Beachtung der Blendenöffnung, der Linsenkonstruktion und der Sensorausrichtung entscheidend. Jede Abweichung in diesen Bereichen kann die Konsistenz der Bildausgabe über die gesamte aktive Sensorfläche beeinträchtigen.
Objektivspezifikation
In Objektivdatenblättern korreliert die Blendenzahl direkt mit der Lichtdurchlässigkeit und der Blendenöffnung. Einige Objektive verfügen über eine manuelle oder automatische Blendensteuerung, die eine adaptive Belichtung in wechselnden Umgebungen ermöglicht. Andere besitzen eine feste Blende, die auf bestimmte Lichtverhältnisse abgestimmt ist.
Die Blendenzahl muss zusammen mit anderen Spezifikationen wie der Modulationsübertragungsfunktion (MTF), dem Bildwinkel und den Verzeichnungskennzahlen betrachtet werden. Eine ausgewogene Bewertung all dieser Faktoren ermöglicht eine fundierte Objektivauswahl, die den Systemanforderungen entspricht.
Sensorausrichtung
Bei der optischen Kalibrierung muss berücksichtigt werden, wie die Blendenzahl den Dynamikumfang, die Helligkeit und das Signal-Rausch-Verhältnis beeinflusst. Während der Prototypenentwicklung ist es wichtig, verschiedene Blendenzahlen zu untersuchen, um Schärfe, Belichtungskonsistenz und Artefaktverhalten unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu bewerten.
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Prabu ist Chief Technology Officer und Head of Camera Products bei e-con Systems und verfügt über eine reiche Erfahrung von mehr als 15 Jahren im Bereich der eingebetteten Bildverarbeitung. Er bringt umfassende Kenntnisse in den Bereichen USB-Kameras, eingebettete Bildverarbeitungskameras, Bildverarbeitungsalgorithmen und FPGAs mit. Er hat über 50 Kameralösungen für verschiedene Bereiche wie Medizin, Industrie, Landwirtschaft, Einzelhandel, Biometrie und mehr entwickelt. Er verfügt außerdem über Fachwissen in der Gerätetreiberentwicklung und BSP-Entwicklung. Derzeit liegt der Schwerpunkt von Prabu auf der Entwicklung intelligenter Kameralösungen, die KI-basierte Anwendungen des neuen Zeitalters ermöglichen.