S-mount Optik mit Piezo-betriebenem proaktiven Fokus
S-mount Optiken sind für ihre kompakten Bauformen und effektive Preis-Leistungsverhältnisse bekannt. Piezo Linear Antriebe verleihen den S-Mount Objektiven neue Möglichkeiten Visionsysteme proaktiv fernzusteuern.
Die Firma Piezolution hat mit Piezo-Antrieben bereits verschiedene Fokusmodule für S-mount Objektive entwickelt, darunter ein M12 Fokus Modul für die gängige M12 Optik. (Bild: Piezolution GmbH)
S-mount Optiken sind anfangs für kleine Image Sensoren entstanden, wie z.B. 1/4″ oder 1/3″, sind aber mit der Entwicklung der Sensoren mit gewachsen. Große Auswahl von S-mount Optiken für 1/2.9″, 1/2.7″, 1/2.5″, 1/2″, 1/1.8″, 1/1.7″ oder 2/3″ Image Sensoren sind bei Spezialisten, wie z.B. Lensation, zu bekommen. Größere Sensorformate lassen sich dagegen besser mit C-mount bedienen. Auch in puncto Auflösung halten S-mount Optiken mit der Sensorenentwicklung Schritt. So gibt es mittlerweile auch Objektive für 18MP Sensoren. S-mount Optiken gibt es in einer Palette von Brennweiten: von Fisheyes über Weitwinkel bis zu Tele. Eine kurze Brennweite (f=1.2mm) liefert mehr als 180° Field of View (FOV) auf einer 1/4″ Sensordiagonale, während eine lange Brennweite (f=50mm) nur einen geringen Sichtwinkel von 5° auf 1/2″ Sensorvertikale bringt. Die Lichtempfindlichkeit kann bei einer Fest-Blende S-mount Optik nicht eingestellt werden. Aber eine Schärfentiefe-gewinnendes Abblenden der Apertur (F-Stop größer) ist bereits ab einer kleinen Seriengröße möglich. Alternativ gibt es Front-Blenden Objektive, die sich mit einem Standardfilteradapter plus entsprechendem Blendescheibchen abblenden lassen. Für Anwendungen mit geringem Objekt zu Bild Abstand ist die S-mount Optik dem C-mount überlegen. So haben einige Frontblendenobjektive nur 1cm Baulänge und es gibt sogar telezentrische M12 Objektive. Der defacto standard S-mount Anschluss ist ein M12x0,5 Gewinde, wofür viele Kameras einen Standardhalter bieten. Hinzu kommen M8, M10, M16 oder zylindrische Gehäuse mit Nut zum Einrasten (Dort ist die Eintauchtiefe zu beachten). S-mount Optiken haben Abbildungsfunktion-bedingt oft kurze hintere Schnittweite (Flange Back Length). Diese gilt es als Minimum Luftabstand zum Sensor einzuhalten, um auf unendlich zu fokussieren. Das Auflagemaß ist nicht-genormt, was kein Nachteil ist, denn die Kombination Kamera und S-mount Optik ist immer anwendungsspezifisch.
Fokusmodule mit Piezo Linear Antrieb
Das manuelle Fokussieren von S-mount Optiken in Serie kann Zeit kosten. Auch in kompakte Visionsystemen bedarf es in vielen Fälle einer proaktiven Fokussierung. Besonders in Feldgeräten vereinfacht eine fernsteuerbare Einstellung über elektrische Antriebe oder Autofokus die (de-)zentrale Kontrolle. Ein Autofokus mit einem Voice Coil Motor wird in Konsumerelektronik, wie Smartphones oder Webcams verwendet. Mit Steppermotoren betriebene Fokusmodule sind oft in Überwachungssystemen im Einsatz. Dazu kommen Flüssigkeitslinsen oder MEMS Elemente, die in Optiksystemen integriert sind, um einen Autofokus zu realisieren. Noch nicht allzu bekannt sind Fokusmodule mit Piezo Linear Antrieb. Diese werden bereits in vielen wissenschaftlichen und medizinischen Anwendungen eingesetzt, wo konventionelle elektromagnetische Antriebe zu anfällig sind. Zudem ist es von Vorteil, dass sie vakuumtauglich sind und ohne Magnetfelder arbeiten. Der Piezo Linear Antrieb arbeitet durch Gleit- oder Haftreibung zwischen einem beweglichen Teil (Slider) und einem festen Teil (Stator). Das Prinzip basiert auf einer durch piezokeramische Aktoren erzeugten, (häufig resonanten) Schwingung des Stators. Da die Frequenz der Schwingungen zumeist in Ultraschallbereich liegt, werden Piezo Antriebe oft auch als Ultraschallmotoren bezeichnet. Sie reagieren in Bruchteil von Millisekunden, haben eine hohe Linearität und keinen Rückschlag.
Zahlreiche Vorteile
Die Vorteile piezoelektrischer Antriebe gegenüber elektromagnetischen Motoren sind die hohe Kraft pro Volumen, eine hohe Haltekraft im ausgeschalteten Zustand (der Antrieb braucht kaum Strom beim Halt), sowie eine hohe Dynamik und Miniaturisierbarkeit. Die Firma Piezolution hat mit Piezoantrieben bereits verschiedene Fokusmodule für S-mount Objektive entwickelt, darunter ein M12 Fokus Modul für die gängige M12 Optik. Mit 6mm Stellweg ist mit dem Modul für Brennweiten bis zu 35mm, der erforderlichen Fokusweg von Unendlich bis Minimum Objekt Abstand (MOD) abgedeckt. Mit 10mm/s wird so ein 100µm Fokusweg in 1/100 Sekunde zurückgelegt. Ein optischer Weggeber sorgt für präzise Positionsrückmeldungen in Close-loop Control (Vorschub in 0,1µm Schritten wählbar) und eine hohe Wiederholgenauigkeit. Die mechanische Anpassung des Fokus Moduls auf das jeweilige Kameraboard erfolgt durch Austausch des Sockels oder eine individuelle Behausung. Die elektronische Integration kann durch einen 5-poligen seriellen Anschluss von einem Single-PCB über UART folgen. Auch die Ausrichtung der Optik in 3D-Geräten oder Feinmechanik-Tools kann mit den Modulen durchgeführt werden. Hierfür gibt es Piezo-betriebene Linearschlitten, Dreh- bzw. x-y-Tische, die eine akkurate Schiebung oder Lenkung der Lichtstrahlen (Laser) per Kommando ermöglichen. Die Antriebe sind durch simple Bauart in Mengenfertigung sehr kosteneffektiv zu produzieren. So lassen sich z.B. klassische Miniaturgetriebemotoren in Preis, Größe, Geschwindigkeit und oft auch Auflösung schlagen.
