Optiken: Telezentrische Objektive
Bei diesen Objektiven fallen nur achsparallele Lichtstrahlenbündel vom Objekt in das Objektiv. Dies führt zu einer gleichmäßigen, vom Objektabstand unabhängigen Vergrößerung ohne perspektivische Verzerrung. Wegen des parallelen Strahlengangs muss die freie Apertur der Frontlinse des telezentrischen Objektivs mindestens den gleichen Durchmesser haben wie das Objektfeld. Dadurch sind Objektive besonders für große Objektfelder ziemlich groß und relativ teuer.
Für besonders anspruchsvolle Messaufgaben werden beidseitig telezentrische Objektive eingesetzt. Damit kann sicher gestellt werden, dass die Messungen selbst dann noch genau sind, wenn sich das Bild aus dem Fokus bewegt. Außerdem wird die Schärfentiefe erhöht und eine noch geringere Verzeichnung erzielt.
Beispiel 1:
Dieses Bild zeigt eine elektrische Baugruppe, die auf Fehler überprüft werden soll. Wie klar erkennbar ist, ist einer der Stifte verbogen. Das Bildverarbeitungssystem soll diesen Fehler finden. Bei Verwendung eines entozentrischen Objektivs ist ein Bild perspektivisch verzerrt, was die Fehlersuche erheblich erschwert.
Dieses Bild zeigt, wie sich die Stifte quasi von der Mittelachse der Optik aus auffächern. In dieser Situation unterscheidet sich der verbogene Stift kaum von den anderen und stellt eine wesentlich größere Herausforderung für die Bildverarbeitungssoftware dar.
Diese Abbildung zeigt die selbe Komponente, aufgenommen mit einem telezentrischen Objektiv. Alle Einzelheiten mit Ausnahme des verbogenen Stifts erscheinen nun ohne perspektivische Verzerrung, senkrecht zur Linse. Der verbogene Stift ist jetzt deutlich zu erkennen und die eigentliche Prüfaufgabe ist erheblich einfacher zu lösen.
Beispiel 2:
Eine weitere Anwendung, für die telezentrische Objektive hervorragend geeignet sind, ist die Überprüfung von gezogenen Drähten. Die Dicke des Drahtes muss beim Austritt aus der Pressform sehr genau kontrolliert werden. Allerdings tritt prozessbedingt oft eine Schwingung auf, so dass sich die Position des Drahts verändert und eine Messung mit Universalobjektiven meist nicht genau genug ist Wenn in dieser Anwendung ein Universalobjektiv verwendet wird, ver-ändert sich der Abstand zwischen Draht und Linse ständig und damit scheinbar die Stärke des Drahtes aufgrund des variierenden Abbildungsverhältnisses.
Durch eine telezentrische Abbildung verändert sich die Größe des erzeugten Bildes auf dem Sensor dagegen nicht, egal ob sich der Draht durch die Schwingung nähert oder entfernt. Das bedeutet, dass die Drahtstärke immer gleich gemessen werden kann, unabhängig davon, wo sich der Draht in Relation zum Objektiv befindet. In dieser Anwendung erhöht die Verwendung einer telezentrischen Hintergrundbeleuchtung die Genauigkeit der Prüfaufgabe
Oszillierender gezogener Draht beim Austritt aus der Pressform
Das Bild zeigt den Draht scharf und mit den richtigen Maßen, wodurch die Bildanalyse zur Ermittlung des Durchmessers vereinfacht wird.
Dieses Bild zeigt denselben Draht aufgenommen mit einem Universalobjektiv. Die offensichtlichen Größenabweichungen ergeben sich aus der Änderung des Arbeitsabstands und dem daraus resultierenden Perspektivproblem, da sich der Draht innerhalb des Objektfelds in Z-Richtung bewegt.
Dieses Bild zeigt den Draht aus einer anderen Perspektive. Die offensichtlichen Größenabweichungen ergeben sich aus der Änderung des Arbeitsabstands und dem daraus resultierenden Perspektivproblem, da sich der Draht innerhalb des Objektfelds in Z-Richtung bewegt.
Das nachfolgende Bild verdeutlicht, warum telezentrische Objektive oft so groß sind. Betrachtet man das gleiche Objekt mit beiden Objektivtypen, so sammelt die endozentrische Optik die Lichtstrahlen, die vom Objektiv ausgehen, unter einem Winkel. Die telezentrische Optik hingegen erfasst nur die achsparallelen Strahlen, die von der Oberfläche des Prüfobjekts reflektiert werden. Daher muss die Frontapertur mindestens so groß wie das Objekt sein. Da Linsen nur bis zu bestimmten Größen gefertigt werden können, ergeben sich Grenzen für Anwendungen, bei denen größere Objekte abgebildet werden müssen.
Telezentrische Objektive mit einstellbarem Arbeitsabstand
Telezentrische Objektive sind unverzichtbar bei der Messung von Objekten mit unterschiedlichen Höhen. Leider gibt es Einschränkungen in Bezug auf die Schärfentiefe.
Um eine deutlich größere Veränderung des Arbeitsabstandes unter Beibehaltung der erforderlichen Auflösung zu erreichen, ist eine variable Fokussierung erforderlich.
Produkte mit zeitlich variablem Arbeitsabstand ermöglichen telezentrische Messungen mit einer Bildrate von ca. 40 Hz. Der Arbeitsabstand hängt nahezu linear von der Brechkraft der Varioobjektive ab.
Durch den Einfluss der Brennweite ist die Vergrößerung der Linse nicht konstant. Da dieses Verhalten jedoch linear ist, kann es durch Kalibrieren des Setups korrigiert werden.
Aufgrund der Telezentrizität wird die Aperturblende auf der telezentrischen Seite auf unendlich projiziert. Dies bedeutet, dass bei einem objektseitigen telezentrischen Bild das Varioobjektiv hinter der Aperturblende positioniert werden muss. Mit einer solchen Konfiguration ist es jedoch nicht mehr möglich, eine bildseitige Telezentrie zu erreichen.
