So wählen Sie ein Endoskopobjektiv für Ihre Anwendung aus

Eine Endoskoplinse hat einen schwierigen Job. Es muss in ein schmales Instrument passen und gleichzeitig ein Bild erzeugen, das aus kurzer Entfernung nützlich ist, oft in einem Raum, in dem Beleuchtung und Positionierung eng begrenzt sind.

Bei der Auswahl eines Endoskopobjektivs kommt es daher nicht nur darauf an, den kleinsten verfügbaren Durchmesser oder das größte Sichtfeld auszuwählen. Ein Objektiv, das eine große Szene erfasst, zeigt möglicherweise weniger Details pro Objekt. Ein für einen bestimmten Arbeitsabstand optimiertes Design hält ein viel näheres oder weiter entferntes Objekt möglicherweise nicht in einem akzeptablen Fokus. Mechanische Beschränkungen können auch die optischen Konfigurationen einschränken, die dem Designer zur Verfügung stehen.

Unabhängig davon, ob es sich bei der Anwendung um medizinische Bildgebung, industrielle Inspektion oder eine andere Form der internen Visualisierung handelt, ist der beste Ausgangspunkt, zu definieren, was die Kamera unter welchen Bedingungen anzeigen soll.

1. Definieren Sie die Inspektionsaufgabe und das Ziel

Beschreiben Sie zunächst, was das Endoskop beobachten muss. Ist das Ziel, eine Oberfläche auf Kratzer zu untersuchen, einen Hohlraum zu untersuchen, ein kleines Merkmal zu identifizieren oder einen allgemeinen Überblick über einen Innenraum zu geben? Das Ziel und die Aufgabe bestimmen, welche Bildeigenschaften am wichtigsten sind.

Für ein Fehlerprüfsystem ist die Fähigkeit, kleine Details zu unterscheiden, möglicherweise wichtiger als die Erfassung einer möglichst breiten Szene. Für die Navigation durch einen Hohlraum oder ein Rohr kann eine breitere Abdeckung sinnvoll sein. Manche Anwendungen benötigen beides, was Kompromisse oder eine andere Kameraarchitektur erfordern kann.

Beschreiben Sie auch das Zielmaterial und die Oberfläche. Stark reflektierende, transparente, dunkle oder strukturierte Objekte können sich bei gleicher Beleuchtung unterschiedlich verhalten. Wenn das Endoskop in einer Flüssigkeit oder hinter einem Schutzfenster betrieben wird, erwähnen Sie dies frühzeitig. Der optische Pfad entspricht nicht unbedingt einem gewöhnlichen luftgestützten Aufbau.

Fotos des Ziels, eine Skizze des verfügbaren Platzes und Beispiele für akzeptable und inakzeptable Bilder sind oft hilfreicher als eine kurze Spezifikation allein.

2. Sichtfeld: Wie viel kann das Objektiv sehen?

Das Sichtfeld (FOV) gibt die Winkelausdehnung der vom Objektiv erfassten Szene an. Bei Endoskopanwendungen kann ein weites Sichtfeld dazu beitragen, dass der Benutzer mehr von der Umgebung sehen kann, ohne das Instrument so stark bewegen zu müssen.

Eine breitere Abdeckung ist jedoch nicht automatisch besser. Wenn die Sensorauflösung konstant bleibt, kann es sein, dass eine größere Szene weniger Pixel auf einem kleinen Merkmal hinterlässt. Sehr weitwinklige Designs können auch zu Verzerrungen führen, die für die visuelle Orientierung zwar akzeptabel, aber weniger geeignet sind, wenn die Geometrie genau beurteilt werden muss.

Klären Sie bei der Angabe des FOV, ob die Anforderung horizontal, vertikal oder diagonal ist. Geben Sie das Sensorformat oder -modell an, da das gleiche Objektiv bei unterschiedlichen Sensorabmessungen eine unterschiedliche Abdeckung erzielen kann. Wenn ein Ziel in einem definierten Abstand in das Bild passen muss, geben Sie auch die Zielabmessungen und den Arbeitsabstand an.

Eine einfache Zeichnung, die die Linsenspitze, das Ziel und den erforderlichen sichtbaren Bereich zeigt, kann dem Optikdesigner dabei helfen, festzustellen, ob das vorgeschlagene Sichtfeld geeignet ist.

3. Schärfentiefe und Arbeitsabstand hängen zusammen

Der Arbeitsabstand ist der Abstand vom Objektiv oder einem klar definierten Referenzpunkt zum Ziel. Die Schärfentiefe (DOF) beschreibt den Bereich der Objektentfernungen, über den das Bild unter definierten Bedingungen akzeptabel scharf bleibt.

Diese beiden Parameter sollten gemeinsam besprochen werden. Ein für einen engen Entfernungsbereich optimiertes Objektiv kann am vorgesehenen Inspektionspunkt starke Details liefern, wird jedoch weniger nützlich, wenn sich das Ziel näher oder weiter entfernt. Eine größere Schärfentiefe kann die Toleranz gegenüber Abstandsschwankungen verbessern, obwohl das Ergebnis vom optischen Design, der Blende, der Sensorauflösung und den Kriterien zur Definition einer akzeptablen Schärfe abhängt.

Bei einem Endoskop ist es hilfreich, den nominellen Arbeitsabstand, den nächsten erwarteten Zielabstand und den größten Abstand anzugeben, der noch nutzbar sein muss. Wenn das Instrument sowohl eine nahe gelegene Oberfläche als auch einen größeren Hohlraum prüfen muss, sagen Sie dies, anstatt nur einen bevorzugten Abstand anzugeben.

Vermeiden Sie es, nach einem „großen DOF“ zu fragen, ohne den tatsächlichen Betriebsbereich zu beschreiben. Ein numerischer Entfernungsbereich oder einige wenige repräsentative Zielpositionen erleichtern die Bewertung und Prüfung der Anforderung.

4. Warum das optische Medium wichtig ist

Ein für den Einsatz in Luft konzipiertes optisches System verhält sich möglicherweise anders, wenn es in einem anderen Medium, beispielsweise Wasser oder einer mit Flüssigkeit gefüllten Umgebung, verwendet wird. Der Brechungsindex des umgebenden Mediums verändert die Art und Weise, wie Licht an optischen Grenzflächen gebrochen wird, und kann den Fokus, das scheinbare Sichtfeld und andere Abbildungseigenschaften beeinflussen.

Dies ist besonders wichtig, wenn ein Endoskop für die Unterwasserinspektion oder eine andere Anwendung vorgesehen ist, bei der die vordere optische Oberfläche mit einem anderen Medium als Luft in Kontakt kommt. Das alleinige Testen einer Linse an der Luft kann ihr endgültiges Verhalten in der vorgesehenen Umgebung möglicherweise nicht vollständig vorhersagen.

Geben Sie bei der Beschreibung der Anwendung an, ob das Objektiv in Luft, Wasser oder hinter einem transparenten Schutzfenster betrieben werden soll. Geben Sie das Fenstermaterial und die Dicke an, sofern bekannt. Wenn das System eingetaucht wird, definieren Sie die relevanten Arbeitsabstände und die Bedingungen, unter denen die Bildqualität beurteilt werden muss.

Der geeignete Testaufbau sollte die endgültige Anwendung so genau wie möglich widerspiegeln. Bei Spezialprojekten sollten sich das Optikteam und der Kunde vor der Probenfreigabe auf das Referenzmedium, die Zielentfernung, das Fokusverfahren und die Akzeptanzkriterien für die Bildqualität einigen.

5. Durchmesser und mechanisches Design können die optische Lösung einschränken

Endoskopobjektive unterliegen häufig anspruchsvollen Größenbeschränkungen. Der verfügbare Außendurchmesser und die Gesamtlänge beeinflussen, wie viele optische Elemente untergebracht werden können, wie das Objektiv zusammengebaut wird und wie es mit dem Bildsensor und dem umgebenden Gehäuse verbunden ist.

Ein kleinerer Durchmesser ist kein isoliertes Ziel. Es muss gegen Sichtfeld, Bildqualität, Schärfentiefe, Beleuchtung und Herstellungsmöglichkeit abgewogen werden. Ein technisch mögliches Design erfordert möglicherweise dennoch Kompromisse in Bezug auf Leistung, Montagekomplexität oder Kosten.

Geben Sie den maximalen Außendurchmesser, die verfügbare Länge, die Sensorposition, die Montageschnittstelle und etwaige Einschränkungen an der vorderen Spitze an. Wenn das Endoskop über Beleuchtungsfasern oder LEDs verfügt, geben Sie deren Position und den dafür vorgesehenen Platz an. Diese Komponenten können den mechanischen Aufbau und das das Ziel erreichende Licht beeinflussen.

Eine bemaßte Zeichnung ist ideal, aber eine klare Skizze kann eine erste Machbarkeitsbesprechung unterstützen. Identifizieren Sie, welche Abmessungen festgelegt sind und welche angepasst werden könnten, wenn ein optischer Kompromiss erforderlich ist.

6. Auflösung, Beleuchtung und Bildkontrast

Das Objektiv muss genügend nützliche Details für die beabsichtigte Aufgabe liefern, aber auch der Sensor und die Beleuchtung beeinflussen das endgültige Bild. Ein hochauflösender Sensor kann unzureichenden optischen Kontrast, schlechte Fokussierung, Bewegung oder unzureichende Beleuchtung nicht ausgleichen.

Bei der endoskopischen Bildgebung ist häufig der Platz für die Beleuchtung begrenzt. Die Helligkeit kann innerhalb der Szene variieren und reflektierende Oberflächen können Glanzlichter erzeugen, die Details verdecken. Objektiv, Sensorbelichtung, Beleuchtungsgeometrie und Bildverarbeitung sollten daher als System bewertet werden.

Beschreiben Sie beim Definieren der Bildqualität das aufzulösende Merkmal, die Zielentfernung und den Bildbereich, in dem die Leistung am wichtigsten ist. Wenn Sie eine messbare Anforderung haben, z. B. eine Mindestmerkmalsgröße oder einen definierten Bildqualitätstest, teilen Sie diese mit. Wenn nicht, stellen Sie repräsentative Bilder zur Verfügung und erläutern Sie, was das aktuelle System nicht anzeigt.

Vermeiden Sie es, sich nur auf eine Megapixel-Beschriftung zu verlassen. Vor der Freigabe eines Objektivs für die Produktion ist eine praktische Bewertung des vorgesehenen Sensors, der Beleuchtung und des Ziels unerlässlich.

7. Was Sie vorbereiten müssen, bevor Sie einen Objektivhersteller kontaktieren

Für eine produktive Anfrage ist kein ausgefülltes optisches Rezept erforderlich. Für die Beurteilung des Antrags sind ausreichende Informationen erforderlich.

Bereiten Sie Folgendes vor, sofern verfügbar:

Anwendung und Zieltyp

Sensormodell, aktive Abmessungen oder Datenblatt

Erforderliches horizontales, vertikales oder diagonales Sichtfeld

Nomineller und zulässiger Arbeitsabstandsbereich

Erforderliche Schärfentiefe oder minimale Merkmalsgröße

Maximaler Linsendurchmesser und verfügbare Länge

Betriebsmedium, Schutzfenster und Umgebungsbedingungen

Beleuchtungsanordnung und Wellenlänge, falls relevant

Prototypmenge, erwartetes Produktionsvolumen, Zielkosten und Zeitplan

Wenn Sie über ein vorhandenes Endoskopmodul verfügen, können Beispielbilder oder eine physische Referenz verdeutlichen, was geändert werden muss. Identifizieren Sie die aktuellen Stärken und Einschränkungen: Möglicherweise ist das Bild nur in einer Entfernung scharf, die Spitze ist zu groß oder die Szenenabdeckung ist unzureichend.

Anhand dieser Informationen lässt sich feststellen, ob ein vorhandenes Objektiv angepasst werden kann oder ob ein individuelles optisches Design in Betracht gezogen werden sollte.

Fazit: Beginnen Sie mit den realen Inspektionsbedingungen

Bei der Auswahl eines Endoskopobjektivs ist ein Gleichgewicht zwischen optischer Leistung und physikalischen Einschränkungen erforderlich. Sichtfeld, Schärfentiefe, Arbeitsabstand, Umgebungsmedium, Sensoreigenschaften, Beleuchtung und mechanische Abmessungen sollten gemeinsam definiert werden.

Die nützlichste Spezifikation ist nicht unbedingt die längste. Es beschreibt die eigentliche Inspektionsaufgabe klar genug, damit Ingenieure eine praktische Lösung bewerten können.

Boshi-Optik, Teil von Shanghai Silk Optical Technology Co., Ltd., entwickelt und produziert optische Produkte für Bildgebungsanwendungen, einschließlich kundenspezifischer endoskopbezogener Optiken. Teilen Sie für ein neues Projekt die Sensorinformationen, den mechanischen Bereich, den Arbeitsabstandsbereich, die Zielszene und das vorgesehene Betriebsmedium mit.

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