Ein technischer Überblick über die Anforderungen an die Bildgebung und die optischen Herausforderungen in Unterwasserumgebungen

Poolreinigungsroboter nutzen eine Kombination aus Mobilität, Sensorik und visueller Wahrnehmung, um sich zu bewegen und Reinigungsaufgaben durchzuführen. Viele Menschen verbinden diese Roboter zwar mit Bürsten, Motoren und Filtersystemen, aber… Kameraobjektiv ist eine der wichtigsten Komponenten, die eine genaue Unterwasserüberwachung und Entscheidungsfindung ermöglicht.

1. Warum Poolroboter ein Unterwasser-Visionsystem benötigen

Moderne Poolreinigungsroboter verfügen in der Regel über mindestens ein Kameramodul.

Die Kamera erfüllt mehrere Funktionen:

• Beobachtung der Poolwände, Ecken und der Bodenfläche
• Unterstützung bei Navigation und Routenplanung
• Erkennen von Ablagerungen, Flecken oder Bereichen, die wiederholt gereinigt werden müssen.
• Hindernisse wie Treppen, Abflüsse oder Poolzubehör vermeiden
• Unterstützung von Echtzeit-Feedback oder Fernüberwachung

Ein gut gestaltetes Unterwasserlinse gewährleistet, dass der Roboter auch in Umgebungen mit Reflexionen, Trübung oder ungleichmäßiger Beleuchtung zuverlässige Bildinformationen erfasst.

2. Optische Herausforderungen, die spezifisch für die Unterwasserbildgebung sind

Im Gegensatz zu Luft verändert Wasser das Verhalten von Licht erheblich:

Brechung und Gesichtsfeldverlust

Wasser hat einen höheren Brechungsindex, was das effektive Sichtfeld (FOV) verringert.

Um dies auszugleichen, benötigen Unterwasserobjektive oft extrem weite Bildwinkel.

Lichtabsorption und -streuung

Wasser absorbiert Licht schneller, und Schwebstoffe streuen es.

Dies beeinträchtigt Klarheit, Kontrast und Farbgenauigkeit.

Reflexion von Oberflächen

Wände und die Wasseroberfläche können starke Lichtreflexe oder Blendflecken erzeugen.

Druck und Exposition

Die Komponenten müssen langfristigem Eintauchen, Wasserdruck und dem Kontakt mit Chemikalien (Chlor, Salzwasser, Reinigungsmitteln) standhalten.

Diese Bedingungen führen dazu, dass sich die optische Konstruktion von Unterwasserkameras grundlegend von der Konstruktion normaler Überwachungs- oder Verbraucherkameras unterscheidet.

3. Wichtige Parameter bei der Konstruktion von Unterwasserlinsen

(1) Brennweite (EFL)

Eine kürzere Brennweite bietet ein größeres Sichtfeld.

Bei Unterwasseranwendungen sind oft ultrakurze Brennweiten (z. B. 0,98 mm–2 mm) erforderlich, um der Brechungsverengung entgegenzuwirken.

(2) Blende (F-Zahl)

Eine niedrigere Blendenzahl (z. B. F1.6–F2.0) trägt dazu bei, die Helligkeit bei schwachen Lichtverhältnissen zu erhöhen, insbesondere am Beckenboden oder in schattigen Bereichen.

(3) Sichtfeld (FOV)

Weitwinkelaufnahmen sind unerlässlich.

Typische Unterwasserobjektive für Poolroboter haben eine Reichweite von etwa:

• Horizontal: 150°–180°
• Vertikal: 150°–180°
• Diagonal: bis zu 200°

Dieses Panorama-Sichtfeld ermöglicht es dem Roboter, seine Umgebung mit minimalen toten Winkeln zu erfassen.

(4) Optische Struktur (z. B. 2G3P)

Hybrid-Linsenstrukturen kombinieren Glas- und Kunststoffelemente, um ein Gleichgewicht zu erzielen:

• Verzerrungskorrektur
• Gewicht
• Thermische Stabilität
• Kosteneffizienz

Glaselemente verbessern die Haltbarkeit und reduzieren optische Verzerrungen unter Wasser.

(5) Beschichtung und Transmission

Eine hohe Lichtdurchlässigkeit (z. B. Tavg ≥ 90 %) ist entscheidend für:

• Reduzierung des Lichtverlusts
• Verbesserung der Sichtverhältnisse in trübem Wasser
• Farbtreue erhalten

Beschichtungen helfen außerdem, Kratzern und dem Kontakt mit Chemikalien vorzubeugen.

(6) Sensorkompatibilität

Unterwasserobjektive werden typischerweise mit Sensoren wie dem Sony IMX390 kombiniert, die Folgendes bieten:

• Hoher Dynamikumfang
• Gute Farbwiedergabe
• Empfindlichkeit bei schwachem Licht
• Stabilität für den Dauerbetrieb

(7) Wasserdichtigkeit und Umweltschutz

Schutzarten wie IP67 oder IP68 sind unerlässlich für:

• Wassereintritt verhindern
• Vermeiden Sie das Beschlagen
• Klarheit auch bei längerem Untertauchen bewahren

Betriebstemperaturbereiche von -20°C bis +70°C gewährleisten die Leistungsfähigkeit über saisonale Schwankungen hinweg.

4. Anwendungsszenarien für Poolreinigungsroboter

Eine Unterwasserlinse trägt zu mehreren Roboterfunktionen bei:

• Kartierung der Poolgeometrie für die Navigation
• Erkennung feiner Partikel oder Schmutzflecken
• Überwachung der Roboterpositionierung relativ zu Wänden oder Hängen
• Unterstützung von KI-Algorithmen zur Klassifizierung von Trümmern oder Oberflächenbedingungen
• Erhöhung der Sicherheit, Verringerung der Kollisionsrisiken

Dank eines weiten Sichtfelds und stabiler Unterwasserbildgebung kann der Roboter effizienter und autonomer arbeiten.

5. Zukünftige Trends im optischen Design für Unterwasseranwendungen

Mit der zunehmenden Leistungsfähigkeit von Poolreinigungsrobotern werden sich Unterwasserobjektive weiterhin in folgende Richtung entwickeln:

• Höhere Auflösung für bessere Objekterkennung
• Verbesserte Bildgebung bei schwachem Licht
• Langlebigere Materialien für chemische Beständigkeit
• Verbesserte Antibeschlag- und Antireflexbeschichtungen
• Integration mit KI-basierten Bildverarbeitungssystemen

Diese Verbesserungen helfen den Robotern, sich sowohl an private als auch an gewerbliche Poolumgebungen anzupassen.