Heute erobern digitale Kameras weltweit anspruchsvollste Anwendungen mit erschwerten Umweltbedingungen, wie etwa im Rad­kasten sitzend beim Fahrwerk- Federungs­test oder als Augen ­unbemannter Flugzeuge. Bei der Entwicklung robuster Kameras spielen Design sowie Wärme­management eine große Rolle und entscheiden gewichtig über deren Markterfolg.

D igitale Kameras, die sich für den industriellen Einsatz eignen, sind auf dem Markt in großer Vielfalt erhältlich. Das Angebot an Lösungen für den Einsatz unter erschwerten Umweltbedingungen ist jedoch relativ bescheiden. Dies nicht zuletzt aufgrund der Tatsache, dass die Investitionen in das Design einer solchen Kamera vergleichsweise hoch, die vom Markt geforderten Stückzahlen aber relativ gering sind. Diese liegen weit hinter den Stückzahlen klassischer Machine-Vision-Anwendungen zurück.

Erschwerte Umweltbedingungen

Ist von erschwerten Umweltbedingungen die Rede, so bedeutet dies die Konfrontation der eingesetzten Kamera mit widrigen physikalischen Rahmenbedingungen. Dazu gehören extreme Temperaturen und Temperaturschwankungen, Vibrationen, Feuchte und Spritzwasser oder der Kontakt mit Chemikalien. Werden Kameras bei erschwerten Umweltbedingungen eingesetzt, so ist deren tadelloses Funktionieren unabdingbar, d.h., sie müssen jederzeit an das übergeordnete Kontroll- bzw. Messsystem entsprechend zuverlässig Daten liefern.

Design: Schlüsselfaktoren herausschälen

Die Entwicklung von Kameras, die sich für den Einsatz unter erschwerten Umweltbedingungen eignen, ist eine interdisziplinäre Angelegenheit, ein Zusammenwirken technischer, strategischer und marketing-spezifischer Faktoren. Oft werden von Anwendern ultrakleine Kameras mit unendlich vielen Leistungsmerkmalen gewünscht. Ist dies der Fall, so gilt es, die tatsächlichen „Key Factors" eines potenziell erfolgreichen Produktes herauszuschälen bzw. festzulegen. Dieser Prozess erfolgt idealerweise in enger Zusammenarbeit mit dem Anwender, wobei auch immer das Marktpotential außerhalb eines bestimmten Anwenderkreises berücksichtigt werden soll. Von großer Bedeutung ist dabei die Frage, ob es zielführender ist, ein Produktdesign so gut wie möglich oder so gut wie notwendig zu realisieren. Ein Aspekt, der letztlich stark von der Wirtschaftlichkeit bzw. vom möglichen Markterfolg eines entsprechend umgesetzten Produktes geprägt ist.

Wärmemanagement hat hohe Priorität

Geht es an die eigentliche Umsetzung des Kameradesigns, ist darauf zu achten, dass dem „Heat Management" eine besonders hohe Priorität eingeräumt wird. Gegeben durch die eingesetzten, sich im Betrieb erwärmenden Bauteile sowie die Forderung nach kleinen Formfaktoren, ist es unabdingbar, die zu erwartenden Hotspots in der Kamera zu erkennen und - sofern möglich - deren örtliche Verteilung zu optimieren. Dieser Schritt kann nur in Kombination mit einer in der Regel noch anspruchsvolleren Herausforderung angegangen werden: der Optimierung der maximalen physischen Abmessungen der Kamera. Aus Erfahrung werden mechanisches und elektrisches Design der Kamera idealerweise eng miteinander verknüpft. Dabei sorgt ein iterativer Designprozess der beteiligten Entwicklungsingenieure dafür, dass die geforderten Leistungsmerkmale der Kamera und die avisierte Produktqualität ihre professionelle Umsetzung finden.
Nach erfolgtem Design gilt es zu prüfen, ob die Kamera unter den definierten erschwerten Umweltbedingungen einwandfrei funktioniert. Entsprechende Tests werden idealerweise durch ein externes, unabhängiges und akkreditiertes Testlabor durchgeführt. Dieses Vorgehen trägt dazu bei, dass die Testresultate ein transparentes, nicht geschöntes Bild über das tatsächliche Verhalten der Kamera unter realen Konditionen schaffen. Sollten die durchgeführten Tests zeigen, dass Designänderungen sinnvoll sind, lassen sich diese vor der Lancierung und Auslieferung der Kameras umsetzen. Rückrufaktionen sind um einiges teurer und schaden enorm dem Image.

Airborne-Kamera trotzt Hitze, Kälte, Feuchte, Vibration

Wer kennt sie nicht, die beeindruckenden Kamera-Aufnahmen, die den Start und die Landung von Flugzeugen visuell auch Drittpersonen zugänglich machen und während der Flugphase Blicke nach unten ermöglichen. Was sich auf dem Monitor des Betrachters als Selbstverständlichkeit präsentiert, setzt den Einsatz einer Kamera voraus, der selbst widrigste Umweltbedingungen nichts anhaben können. Konfrontiert wird sie etwa mit enormen Temperaturunterschieden innerhalb kürzester Zeit. Beträgt die Temperatur beim Start beispielsweise 20°C, so misst sie auf einigen tausend Metern Höhe noch rund -50°C. Ungeachtet dieser markanten Temperaturveränderung muss die Kamera unterbrechungsfrei funktionieren und Bilder gleichbleibend hoher Qualität liefern. Doch damit nicht genug: In aller Regel ist die Kamera dauernden Vibrationen ausgesetzt, die während des Fluges auftreten. Diese soll sie ebenso wegstecken können, wie unwirtliche Rahmenbedingungen, wie sie beispielsweise bei der Landung in tropischen Gebieten vorkommen: schnell ansteigende Temperatur, hohe Luftfeuchtigkeit und die Bildung von Kondenswasser.
Was bei Passagierflugzeugen als Annehmlichkeit bezeichnet werden kann, ist bei unbemannten Flugzeugen (Drohnen) eine Notwendigkeit. In Anwendungen dieser Art ersetzen die Kameras oft die Augen des Piloten oder müssen eine ganze Flugphase zuverlässig aufzeichnen. Fallen die Kameras aus, kann dies dramatische Folgen haben, weshalb das Kameradesign noch höheren Ansprüchen als im industriellen Umfeld genügen muss. So sind im Flugzeugbereich auch Maßnahmen zu treffen, damit die Kamera die empfindlichen Fluginstrumente nicht durch EMI (Elektromagnetische Interferenzen) stört. Entsprechende Vorkehrungen zur Maximierung der Flugsicherheit müssen zwingend während der Designphase berücksichtigt und deren Wirksamkeit durch ein unabhängiges Testlabor mit geeigneten Testeinrichtungen kontrolliert und bestätigt werden.

Schotterpistensicher beim Fahrwerk-Federungstest

Die Federung von Fahrwerken sorgt dafür, dass die Fahrzeugräder selbst markanten Fahrbahnunebenheiten folgen, dabei die Bodenhaftung möglichst gleichmäßig ist und dass sich das Fahrzeug nur geringfügig auf und ab bewegt. Durch das stetig kompakter werdende Design der Fahrzeuge werden die Platzverhältnisse in vielen Bereichen kritisch - so auch im Bereich der Federung. Dadurch erweist sich der Test von Federungen bei neuen Modellen als immer schwieriger. Eine Möglichkeit zur Überprüfung des Federungsverhaltens wäre eine visuelle Begutachtung mittels Endoskopen. Doch bei der Fahrt über eine Schotterpiste ist eine rein visuelle Betrachtung unzuverlässig und praktisch nicht durchführbar. Ferner ist bei den schnellen Vorgängen eine hohe Bildfrequenz (Bildrate) zur Visualisierung schnellster Vorgänge notwendig. Eine Lösung hierfür bilden kleine, vibrations- und g-shock-feste digitale Kameras, die in unmittelbarer Nähe der Federung montiert werden. Da die Lichtverhältnisse beschränkt sind, muss die Kamera nebst ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften auch eine hohe Lichtsensitivität aufweisen und in der Lage sein, die Vorgänge z.B. mit 200 Bildern/s aufzuzeichnen. Idealerweise verfügt die direkt im Kotflügel angebrachte Kamera lediglich über einen Anschluss, über den alle notwendigen Signale zwischen Kamera und der robusten Aufzeichnungseinheit übertragen werden.
Tests der beschriebenen Art - sie dauern erfahrungsgemäß etwa 20 Minuten - fordern die eingesetzten Kameras in höchstem Maß, sind diese doch mit massiven Vibrationen, mit Steinschlag und feinstem Staub konfrontiert. Die Kameras müssen dennoch einen reibungslosen Betrieb gewährleisten, denn der Ausfall während einer Testreihe würde erhebliche Verzögerungen und - im Wiederholungsfall - unangenehme Projektzusatzkosten verursachen. Um diese zu verhindern, werden höchste Anforderungen an die Kamera selbst, an die elektrischen Verbindungen sowie an die eingesetzte Optik gestellt. Entsprechend konzipierte Kameras sorgen dafür, dass keine unangenehmen Überraschungen auftreten und Testreihen auch unter erschwerten Umweltbedingungen professionell durchgeführt werden können.