Bildverarbeitung

Blaue Beleuchtung und Fernrohr-Prinzip für schärfere Bilder

Farbkorrigierte telezentrische Objektive in der Qualitätssicherung

08.06.2021 - Die industrielle Bildverarbeitung verlangt nach scharfen Bildern bei möglichst großer Schärfentiefe und ohne perspektivische Verzerrungen. Mit neuen Entwicklungen in Beleuchtung und optischem Aufbau werden telezentrische Objektive diesen Ansprüchen noch besser gerecht.

In der industriellen Bildverarbeitung, wie sie etwa zur Anwesenheits- und Qualitätskontrolle eingesetzt wird, geht es nicht um schöne Bilder. Es müssen Formen eindeutig erkannt, Längen exakt gemessen und Positionen präzise bestimmt werden können. Das stellt auch an die dabei eingesetzten Objektive hohe Anforderungen. Ihre Bilder sollen nicht nur gestochen scharf, sondern ebenfalls frei von perspektivischen Verzerrungen sein. Mit blauem Licht und parallelem Strahlengang gelingt es ihnen, diesen Forderungen noch besser gerecht zu werden.

Mehr Schärfe im blauen Spektralbereich

Bildschärfe und Schärfentiefe sind zwei Parameter, die gegeneinander wirken. Wird ein Objektiv abgeblendet, vergrößert sich damit zwar seine Schärfentiefe, aber gleichzeitig wird das Bild auch unschärfer. Schuld daran sind Beugungseffekte an der Blendenkante. Wobei der Effekt mit der Wellenlänge des gebeugten Lichts zunimmt. Beispielsweise entsteht bei Blende 10 mit rotem Licht (650 nm) ein 16 µm Beugungsscheibchen. Mit blauem Licht (450 nm) beträgt dessen Durchmesser dagegen nur 11 µm.
Sofern Farbe keine Rolle spielt, liegt es daher nahe, bei der Prüfung von Objekten mit blauer Beleuchtung und monochromatischem Kamerasensor zu arbeiten. Insbesondere da es auf dem Markt inzwischen sehr effiziente blaue Leuchtdioden sowie kaltweiße Leuchten mit hohem Blauanteil zu kaufen gibt. Richtig zum Tragen kommt dieser Effekt aber erst, wenn die dabei eingesetzten Objektive auch entsprechend farbkorrigiert sind. Denn auch hochwertige LEDs emittieren nicht nur eine diskrete Wellenlänge. In der Regel changiert das von ihnen abgestrahlte Licht innerhalb einer Halbwertsbreite von rund 20 bis 30 nm. Das erzeugt sowohl Farbquerfehler (Lateral Color), bei denen sich der Abbildungsmaßstab mit der Wellenlänge ändert, als auch Farblängsfehler (Focal Shift), die den Brennpunkt verschieben. Variiert die Wellenlänge etwa um 20 nm, dann können bei einem nicht korrigierten Objektiv (Abbildungsmaßstab 0,2; Objektfelddurchmesser 15 mm) am Rand des Bildes Farbsäume von mehr als 10 µm gemessen werden. Um diesen Betrag werden die äußeren Bildpunkte verschmiert. Zusätzlich macht der Farblängsfehler das komplette Bild etwas unschärfer.
Objektive über das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts zu korrigieren, ist äußerst aufwendig. Eine Korrektur erfolgt für diesem Fall häufig nur für Wellenlängen im mittleren visuellen Spektralbereich. An den Rändern steigen die Farbfehler daher zwangsläufig wieder an, eben auch in der blauen Zone zwischen 450 bis 490 nm. 
Vision & Control hat deswegen eine Reihe einseitig telezentrischer Objektive entwickelt, deren Farbkorrektur schon bei 470 nm eingreift. Dadurch beschränkt sich der Farblängsfehler bei den Mitgliedern der Objektivserie TO im Sektor von 450 bis 490 nm auf lediglich 10 µm. Ein Wert, der unterhalb der Nachweisgrenze liegt. Ihre Verzeichnung ist ebenfalls gering und beträgt deutlich weniger als 1 Prozent.
Da TO-Objektive für den blauen Bereich optimiert sind, sind sie für den Einsatz unter roter oder infraroter Beleuchtung allerdings nur bedingt geeignet. Der Hersteller arbeitet deswegen schon mit Nachdruck an einer Serie auch für diesen Abschnitt des Lichtspektrums.

Ohne Verzerrung messen

Will ein Anwender Objekte exakt vermessen, ihre Formen oder Positionen präzise bestimmen, dann stört die perspektivische Verzerrung normaler entozentrischer Objektive gewaltig. Einen Ausweg eröffnen hier telezentrische Systeme. Durch ihren objektseitig parallelen Strahlengang bilden sie Gegenstände ohne Verzerrungen ab. Sie ermöglichen es deshalb, tiefe Bohrungen zu inspizieren oder Leiterplatten genau zu vermessen. 
Innerhalb der Schärfentiefe bleibt bei telezentrischen Objektiven zudem bildseitig die Größe eines Objekts konstant, auch wenn der Abstand zu ihm variiert. Eine Eigenschaft, die besonders in der Fertigungsendkontrolle gefragt ist, weil bei der automatischen Positionierung der Prüflinge mit größeren Toleranzen gearbeitet werden kann.
Die jüngste Entwicklung auf diesem Gebiet stellen Objektive dar, die bild- und objektseitig telezentrisch aufgebaut sind. Im Gegensatz zu nur objekt­seitig telezentrischen Objektiven besitzen die beidseitigen Varianten einen fixen Abbildungsmaßstab. Mit Zwischenringen lassen sich so verschiedene Arbeitsabstände einrichten, ohne den Abbildungsmaßstab zu verändern. Außerdem ermöglicht der nahezu symmetrische Systemaufbau die Schaffung von Objektiven mit sehr hoher Abbildungsgüte. Sie sind quasi frei von Verzeichnungen und haben geringe Farb­querfehler. Weil hier auch bildseitig der Strahlengang parallel ist, treffen die Hauptstrahlen der Abbildung senkrecht auf den Kamerasensor. Dadurch wird dieser homogen ausgeleuchtet und es gibt somit auch keinen Randabfall der Beleuchtungsstärke – das sogenannte Shading tritt also nicht auf. Zum Beispiel beträgt der Farbquerfehler für weißes Licht bei den breitbandigen Objektiven der Serien TOB11 sowie TOB22 von Vision & Control weniger als 3,45 µm. Er ist somit kleiner als ein Pixel des damit belichteten Sensors. Ihr objektseitiger Telezentriewinkel ist geringer als 0,05° und mit einer Abweichung von unter 0,01 Prozent sind sie praktisch verzeichnisfrei.
Für den Einsatz unter besonders rauen Bedingungen sind alle Modelle auch in einer rüttelfesten Variante erhältlich. Mit ihren kompakten Abmessungen und dem geringen Gewicht eignen sich die Objektive von Vision & Control zudem für den Einsatz in der Robotik.

Autor

Dr. Jürgen Geffe, Geschäftsführer

Contact

Vision & Control GmbH

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