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Optiken für hochpräzise Bildverarbeitungsaufgaben

Präzisionsanwendungen in der industriellen Bildverarbeitung sind auf reproduzierbare, qualitativ hochwertige Bilder angewiesen, sei es zur Vermessung oder zur Inspektion. Neben einer ausreichend hohen Auflösung des Bildmaterials müssen auch die für die Inspektions- oder Vermessungsaufgabe relevanten Bereiche klar definiert sein. Jede Komponente in einem Bildverarbeitungssystem spielt eine wichtige Rolle und hat Einfluss auf das Gesamtergebnis. Der Optik kommt dabei eine entscheidende Bedeutung zu, denn sie ist dafür verantwortlich, wie das Bild eines Objekts auf dem Kamerasensor abgebildet wird.

Der Aufbau des Linsensystems eines Objektivs (Linsenradien, Abstände zwischen den Linsen, verwendetes Glas) wie auch der Abstand des Objektivs zum Sensor beeinflussen die Abbildung.

Einflussfaktoren auf die Objektivleistung

Nach der Festlegung des erforderlichen Objektfeldes sind Auflösung und Bildqualität die wichtigsten Kriterien für die weitere Auswahl einer Optik. Die meisten Objektive, die in der industriellen Bildverarbeitung verwendet werden, sind entozentrische Objektive mit festem Fokus, die die gleiche Perspektive wie das menschliche Auge bieten. Mit einer perfekten Optik werden alle auf den Sensor treffenden Lichtstrahlen von einem einzigen Punkt der Objektebene auf einen einzelnen Punkt der Bildebene fokussiert. Dennoch gibt es bei jedem Objektiv Faktoren, die die Auflösung und Qualität des erzeugten Bildes beeinträchtigen. Dazu gehören:

  • Physikalische Defekte: Defekte auf der Oberfläche einer Linse führen dazu, dass Lichtstrahlen, die auf die fehlerhafte Stelle treffen, nicht korrekt fokussiert werden. Das hat Unschärfen zur Folge.

  • Chromatische Aberrationen: Der Brechungswinkel der Lichtstrahlen durch eine Linse ist abhängig von der Wellenlänge, was zu Farbsäumen auf allen Bildern führt, die mit weißem Licht erzeugt werden. Die Folge davon ist Unschärfe an den Rändern des Objektbildes.

  • Sphärische Aberrationen: Die meisten Linsen sind sphärisch geformt. Das bedeutet, dass jeder Strahl, je nach Abstand zu Linsenmitte, einen anderen Brennpunkt hat. Die Unschärfe nimmt zum Bildrand hin zu.

  • Verzeichnung: Alle Optiken weisen eine mehr oder weniger starke Verzeichnung auf. Das erzeugte Bild wird entweder nicht-linear gedehnt oder gestaucht, was exakte Messungen erschwert. Generell gilt: Ein Objektiv mit kürzerer Brennweite weist eine größere Verzeichnung auf als eines mit längerer Brennweite, da das Licht aus einem größeren Winkel auf den Sensor trifft.

  • Ungleichmäßige Ausleuchtung und Abschattung: Bei jedem Objektiv fällt die Bildhelligkeit zum Rand hin ab, was als Vignettierung bezeichnet wird. Die Ursache der sogenannten Cos4-Vignettierung ist der physikalisch bedingte Lichtverlust durch längere Wege und flachere Winkel im Randbereich. Mechanische Vignettierung tritt auf, wenn der optische Strahlengang mechanisch blockiert wird, was in der Regel durch die Fassung des Objektivanschlusses verursacht wird.

Faktoren wie Beugung beeinflussen ebenfalls die Qualität des erzeugten Bildmaterials. Sie entsteht durch die leichte Beugung des Lichts, wenn es die Kanten der Blendenöffnung passiert. Je kleiner die Blendenöffnung ist, desto höher wird der Beugungseffekt. Bei der Beugung breitet sich ein Lichtpunkt in einem sogenannten Unschärfekreis aus, der die Bildschärfe verringert. Ein Maß für die optische Qualität eines Objektivs ist die Modulationstransferfunktion, kurz MTF. Sie beschreibt mathematisch den Vergleich zwischen dem Detailkontrast an den Kanten eines Objekts und dem Detailkontrast von dessen bildlicher Darstellung.

Korrekturen vornehmen

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, die oben beschriebenen Probleme anzugehen. Oberflächenfehler lassen sich durch entsprechende Sorgfalt bei der Linsenherstellung wie auch beim Schleif- und Polierprozess minimieren. Werden keine Farbinformationen über das Objekt benötigt, kann man chromatische Abweichungen durch die Verwendung von monochromem Licht vermeiden. Eine monochrome LED-Quelle wird in Verbindung mit einem passenden Filter genutzt, um alle Fremdfarben auszufiltern.

Die hier am meisten verwendete Farbe ist Rot, da sie die wirtschaftlichste Lösung bietet. Alternativ kann man auch weißes Licht mit einem geeigneten Bandpassfilter einsetzen. Für den Fall, dass Farbinformationen aus dem Bild benötigt werden, sind farbkorrigierte Objektive erhältlich, bei denen mehrere optische Elemente kombiniert werden, um wellenlängenabhängige Abweichungen in der Lichtbrechung auszugleichen.

Sphärische Abweichungen lassen sich mit Hilfe von asphärischen Optiken reduzieren. Diese sind so geschliffen, dass der Fokus über die gesamte Linse gleich bleibt. Zwar lässt sich räumliche Verzeichnung auch mit entsprechender Software korrigieren, jedoch bezieht diese nicht die Objekttiefe mit ein. Daher ist es vorteilhafter, gleich das geeignete Objektiv zur Korrektur des Abbildungsfehlers einzusetzen.

Für Objektive mit kurzer Brennweite gibt es komplexere Designs, um die Verzeichnung so gering wie möglich zu halten. Wenn Verzerrungen die Messungen beeinflussen, ist es besser, eine Optik mit größerer Brennweite zu verwenden und den Arbeitsabstand entsprechend zu vergrößern. Dies hängt jedoch auch von der Sensorgröße und den vorhandenen Platzverhältnissen ab.

Abbildungsmaßstab, Brennweite und Perspektive

Die Wahl des richtigen Objektivs ist abhängig vom Sensor der verwendeten Kamera. Das Objektiv muss in der Lage sein, die komplette Sensorfläche auszuleuchten, um Vignettierungen und Abschattungen im Bild zu vermeiden. Das Objektiv muss auch in der Lage sein, die Pixelgröße des eingesetzten Kamerasensors aufzulösen. Das Verhältnis von Bild- zu Objektgröße beschreibt die Vergrößerung einer Optik und steht dabei in direkter Beziehung sowohl zur Brennweite des Objektivs als auch zum Arbeitsabstand (Abstand des Objekts vom Objektiv). Wie bereits erwähnt, werden für die überwiegende Mehrheit der industriellen Anwendungen mit fester Objektgröße und festem Arbeitsabstand Objektive mit fester Brennweite verwendet. Um ein Detail am Objekt auflösen zu können und eine eindeutige Kantenerkennung zu gewährleisten, sollte dieses Detail auf ca. 4 Pixel auf dem Sensor abgebildet werden. Somit hängt der benötigte Abbildungsmaßstab direkt von der gewünschten Objektauflösung bzw. der jeweiligen Sensorpixelgröße ab.

Bei Objektiven mit fester Brennweite sind die verfügbaren Einstellungen in der Regel nur Fokus und/oder Blende (Iris). Die Verringerung der Blendengröße kann die Verzeichnung reduzieren, indem sie den Durchmesser der Eintrittspupille verringert und damit die Lichtmenge, die eine Optik passieren kann, was die Schärfentiefe erhöht. Mit zunehmender Schärfentiefe erscheint das Bild über einen größeren Bereich von Objektabständen scharf.

Bei einer festen Brennweite und einer festen Objektivposition relativ zum Sensor erzeugt dieser Entfernungsbereich jedoch perspektivische Effekte, bei denen Objekte gleicher Größe je nach Abstand zum Objektiv unterschiedliche Vergrößerungen aufweisen. Dies kann die Messgenauigkeit erheblich beeinträchtigen. Die Blendengröße wird durch die Blendenzahl bestimmt, aber es ist Vorsicht geboten, da die oben beschriebenen Beugungseffekte die Schärfe des Bildes einschränken, sobald eine Blende unter F8 verwendet wird.

Makroobjektive

Makroobjektive sind speziell für kleine Objektfelder geeignet, die in etwa der Größe des Kamerasensors entsprechen. Makroobjektive werden hinsichtlich ihrer Vergrößerung in Relation zum Kamerasensor eingestuft und sind für die Fokussierung bei Nahaufnahmen optimiert. Sehr gute MTF-Eigenschaften und eine vernachlässigbare Verzeichnung machen sie zur Ideallösung für viele Bildverarbeitungsanwendungen. Allerdings sind sie weniger flexibel, da es nicht möglich ist, die Vergrößerung oder den Arbeitsabstand zu verändern. Bei einigen Standard- oder Präzisionsobjektiven ist es möglich, spezielle Umkehrringe zu nutzen und diese somit als eine Art Makroobjektiv zu verwenden.

Telezentrische Bildverarbeitung und Beleuchtung

Telezentrische Objektive werden speziell für Messanwendungen eingesetzt, bei denen perspektivische Verzerrungen und unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe in Abhängigkeit vom Arbeitsabstand Fehler verursachen. Sie eignen sich besonders für die Aufnahme von dreidimensionalen Objekten, bei denen eine Skalierung falsch interpretiert werden kann. Telezentrische Objektive kollimieren das in das Objektiv einfallende Licht über das gesamte Sichtfeld (Abbildung 2), was bedeutet, dass alle Objekte im Bild unabhängig von ihrem Abstand zum Objektiv die gleiche Vergrößerung haben. Dadurch werden perspektivische Verzerrungen vermieden und Messungen erleichtert.

Die Abbildung unten zeigt eine elektrische Baugruppe (a), die auf Fehler überprüft werden soll. Einer der Stifte ist verbogen. Das Bildverarbeitungssystem soll diesen Fehler finden. Bei Verwendung eines entozentrischen Standardobjektivs ist das erzeugte Bild perspektivisch verzerrt, was die Fehlersuche erheblich erschwert (b). Die Stifte scheinen sich von der Mittelachse der Optik aus “aufzufächern". In dieser Situation unterscheidet sich der verbogene Stift kaum von den anderen und stellt eine wesentlich größere Herausforderung für die Bildverarbeitungssoftware dar. Abbildung (c) zeigt dasselbe Bauteil, aufgenommen mit einem telezentrischen Objektiv. Alle Komponenten mit Ausnahme des verbogenen Stiftes erscheinen nun senkrecht zur Linse, ohne perspektivische Verzerrung. Der beschädigte Stift ist jetzt deutlich zu erkennen und die eigentliche Prüfaufgabe ist erheblich einfacher zu lösen.

Oszillierender gezogener Draht beim Austritt aus der Pressform

Ein weiteres Beispiel ist die genaue Überprüfung der Dicke von gezogenen Drähten beim Austritt aus der Pressform. Prozessbedingt treten häufig Schwingungen auf, so dass sich die Position des Drahtes verändert und eine Messung mit Universalobjektiven meist nicht genau genug ist. (Abbildung "Oszillierender gezogener Draht ").

Wird in dieser Anwendung ein Universalobjektiv verwendet, verändert sich der Abstand zwischen Draht und Linse ständig und damit scheinbar die Stärke des Drahtes aufgrund des variierenden Abbildungsverhältnisses (Abbildung unten a und b).

Die Verwendung eines telezentrischen Objektivs führt jedoch zu einer gleichmäßigen Vergrößerung und Fokussierung auf den Draht, unabhängig von der Position (Abbildung unten c). Wegen des parallelen Strahlengangs muss die freie Apertur der Frontlinse des telezentrischen Objektivs mindestens den gleichen Durchmesser haben wie das Objektfeld. Dadurch sind Objektive für große Objektfelder ziemlich groß und relativ teuer.

Für besonders anspruchsvolle Messaufgaben werden beidseitig telezentrische Objektive eingesetzt, bei denen sowohl die bildseitige als auch die objektseitige Linse telezentrisch ist. Damit kann sichergestellt werden, dass die Messungen selbst dann noch genau sind, wenn sich das Bild aus dem Fokus bewegt. Außerdem wird eine noch geringere Verzeichnung erzielt.

Telezentrische Anwendungen zur Messung und Inspektion von ebenen Flächen und deren Defekten stellen hohe Anforderungen an das Beleuchtungssystem. Für Anwendungen, wie die Erkennung von Silizium-Wafermustern und die Inspektion von LCD-Displays, polierten Metalloberflächen, Kunststoff- oder Glasscheiben, stehen telezentrische Objektive mit integrierten koaxialen Lichtquellen zur Verfügung, um unebene Oberflächen homogen auszuleuchten und kleine Oberflächenfehler wie Kratzer oder Rillen zu erkennen.

Eine integrierte LED-Quelle bietet exzellente Lichtstabilität und Homogenität. Gleichzeitig werden Rückreflexionen, die bei herkömmlichen koaxialen Beleuchtungssystemen häufig auftreten, reduziert. Sie eignen sich besonders für den Einsatz bei der Abbildung stark reflektierender flacher Oberflächen mit Reflexionsgraden größer als 30%.

Für Anwendungen, bei denen Objekte hinterleuchtet werden müssen, wie z.B. bei Präzisionsmessungen runder oder zylindrischer Teile, stehen leistungsstarke telezentrische Beleuchtungen, die speziell für telezentrische Objektive entwickelt wurden, zur Verfügung. Diese bieten im Vergleich zu diffusen Durchlichtbeleuchtungen einen höheren Kantenkontrast und ermöglichen somit eine höhere Messgenauigkeit. Selbst bei der Abbildung transparenter Objekte entsteht ein klarer Umriss.

Welches Objektiv ist das geeignete?

Bei derartig vielen Abwägungen, die bei der Auswahl des am besten geeigneten Objektivs vorgenommen werden müssen, ist ein fundiertes Verständnis der Anwendungsanforderungen und technologischen Möglichkeiten unerlässlich. Als einer der führenden unabhängigen Anbieter von Bildverarbeitungstechnologie und –Services in Europa kann STEMMER IMAGING allein aus seinem Optik-Sortiment über 5.000 Produkte sowie erstklassige Kompetenz, Beratung und Support anbieten.

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