Bildverarbeitung

Kompaktes, leichtes Mikroskop-Objektiv mit kurzem Arbeitsabstand

06.12.2023 - Interview mit Thomas Armspach-Young, Ingenieur für Vision-Lösungen bei Edmund Optics

Der Optikhersteller Edmund Optics mit Hauptsitz in den USA hat kürzlich eine neue Serie von kompakten Objektiven für Machine-Vision-Kameras mit beugungsbegrenzter Leistung über das gesamte Bildfeld herausgebracht, die zudem deutlich leichter als vergleichbare Objektive mit ähnlichen Spezifikationen sind und nur halb so große Arbeitsabstände ermöglichen. Die inspect hat sich mit Objektiv-Experte Thomas Armspach-Young über die dahinterstehende Technologie und den Nutzen in der Anwendung unterhalten.


inspect: Was ist das Besondere an der Objektivserie 120i?

Die 120i-Objektive heben sich von den meisten auf dem Markt erhältlichen Mikroskop-Objektiven ab, da sie speziell für Machine-Vision-Kameras entwickelt wurden und eine beugungsbegrenzte Leistung über das gesamte Bild bieten. Damit unterscheiden sie sich von den herkömmlichen Mikroskop-Objektiven, die hauptsächlich in Forschungs- und Laborumgebungen eingesetzt werden.

Die 120i-Objektive zeichnen sich durch eine kompaktere Bauweise im Vergleich anderen Mikroskopie-Systemen mit Tubuslinsen aus und bieten eine Reduzierung der Länge und des Abstands zwischen Objekt und Bild um den Faktor 1,5 bis 2. Außerdem sind sie leichter, weil für dieOptomechanik Aluminium statt Messing verwendet wird.

Darüber hinaus bieten diese Objektive eine größere Vielseitigkeit dank der Verfügbarkeit von optionalem Zubehör, das speziell entwickelt wurde, um die Funktionalität zu verbessern, die im Zusammenhang mit bestimmten Anwendungen entscheidend sein kann.

Für welche Anwendungen sind die Objektive im Einzelnen gedacht?

Das Interesse an den 120i-Objektiven ist in einer Vielzahl von Märkten zu beobachten, darunter Bereiche wie Biowissenschaften, medizinische Analyse und Durchflusszytometrie, aber auch in der Industrie bei Anwendungen wie Fehler-, Halbleiter- und Arzneimittelprüfung.

Der Hauptvorteil liegt in der deutlichen Verringerung von Größe und Gewicht, was eine kompaktere und leichtere Lösung ermöglicht, die in industriellen Umgebungen oft unerlässlich ist. Im Gegensatz dazu sind in Forschungsumgebungen, wie zum Beispiel in Labors, größere Systeme in der Regel weniger problematisch.

Es ist mir wichtig, noch einmal zu betonen, dass die 120i-Objektive speziell für Kamerasensoren und nicht für die Beobachtung durch das menschliche Auge über ein Okular konzipiert sind. Daher bieten sie erhebliche Korrekturen für die Bildfeldwölbung, eine Aberration dritter Ordnung, bei der der Fokus mit der Bildhöhe variiert. Bei einer Bildfeldwölbung nimmt die Unschärfe zu, je weiter man sich von der Bildmitte entfernt, was zu einer Verringerung der Vollbildauflösung und letztlich zu einem Informationsverlust führt.

Ein weiterer entscheidender Faktor, wenn auch nur indirekt mit dem Produkt selbst verbunden, ist die Zugänglichkeit umfassender technischer Unterstützung und optischer Konfigurationsdateien (wie Zemax Blackbox und CodeV). Andere Hersteller von Mikroskopobjektiven achten oft auf die Vertraulichkeit des Designs und geben diese Art von Daten in der Regel nicht an ihre Kunden weiter. Der freie Zugang zu diesen Ressourcen erleichtert und beschleunigt den Designprozess für Endanwender allerdings erheblich.

Darüber hinaus lassen sich unsere Standard-Objektivdesigns anpassen – ein Service, den traditionelle Mikroskophersteller in der Regel nicht anbieten, da sie erwarten, dass der Endnutzer sein Design auf dem Standardteil des Herstellers aufbaut, egal wie klein der Anpassungswunsch ist.
 

Wie ist es Edmund gelungen, die Länge und das Gewicht der Objektive zu reduzieren?

Viele Mikroskopobjektive sind für große Sehfeldzahlen ausgelegt (ähnlich dem Durchmesser der Sensorgröße). Im Gegensatz dazu sind Bildverarbeitungssensoren, insbesondere in Kameras mit dem häufig verwendeten C-Mount, meist kleiner. Dies führt dazu, dass ein erheblicher Teil der Sehfeldzahl nicht effektiv genutzt werden kann.

Das Verhältnis zwischen der maximalen Sehfeldzahl und der Länge der Tubuslinse, die erforderlich ist, um das Bild vom Objektiv auf den Kamerasensor zu fokussieren, beträgt nahezu 1:1. Durch Reduzieren der Sehfeldzahl des Objektivs von circa 30 mm auf 17,6 mm (entspricht einer Sensorgröße von 1,1 Zoll) konnten wir die Länge der Tubuslinse von circa 200 mm auf 120 mm deutlich verringern.


Bringen diese Maßnahmen Nachteile in der Anwendung?

Es gibt eigentlich keine anwendungsspezifischen Nachteile, da die Lichtstrahlen nicht so stark gekrümmt werden müssen und die Optik durch die geringere Sehfeldzahll und den kleineren Pupillendurchmesser das Licht nicht so stark brechen muss.

Die wichtigste Einschränkung liegt in der Inkompatibilität mit größeren Sensorformaten, die zu Vignettierungsproblemen führen. Daher sind herkömmliche Mikroskopiesysteme eine bessere Wahl für größere Systeme ohne C-Mount-Anschluss, wie zum Beispiel ultrahochauflösende Kameras mit einer Auflösung von 25 MP oder mehr.

Darüber hinaus führen längere Tubuslinsen-Brennweiten zu einem größeren Unendlich-Abstand, der das bequeme Einfügen mehrerer Zubehörteile ermöglicht und somit für mehr Flexibilität sorgt.
 

Mit welchen Vergrößerungen sind die Objektive erhältlich?

Die 120i-Objektive werden in drei gängigen Vergrößerungen für maschinelle Bildverarbeitungsanwendungen angeboten: 5x, 10x und 20x.


Die Objektive sind ausdrücklich nicht parfokal. Warum?

Parfokale Objektive sind in erster Linie für den Einsatz mit Mikroskopen gedacht, insbesondere mit Revolveraufsätzen, die es dem Benutzer ermöglichen, die Objektive zu wechseln, ohne dass beim Wechsel der Vergrößerung neu fokussiert werden muss.

Die 120i-Objektive sind nicht für Standardmikroskope konzipiert, sodass die Parfokalität in diesem Zusammenhang keine wesentliche Funktion darstellt. Die Einführung der Parfokalität bei diesen Objektiven würde eine Vergrößerung der Systemlänge erfordern, was einem der Hauptvorteile dieser Systeme zuwiderläuft. Wir bieten jedoch seit Kurzem parfokale Adapter an, die auf diese Objektive aufgesetzt werden können und somit den Einsatz mit Mikroskoprevolversystemen ermöglichen.


Es handelt sich um sogenannte Plan-APO-Objektive. Was genau ist damit gemeint und welche Vorteile ergeben sich daraus?

Armspach-Young: Der Begriff „Plan APO“ wird üblicherweise verwendet, um zwei wichtige Merkmale eines Mikroskopobjektivs zu bezeichnen: Feldkrümmung und Farbkorrektur.

„Plan“ steht für die Korrektur der Bildfeldkrümmung, die darauf abzielt, Aberrationen bei der Abbildung auf einer ebenen Fläche, beispielsweise einem Kamerasensor, zu verringern. Diese Korrektur verbessert die Bildqualität erheblich, insbesondere an den Rändern und Ecken des Bildes.

„APO“ steht für apochromatisch, ein Begriff, der für Objektive verwendet wird, die chromatische Aberration korrigieren. Chromatische Aberration entsteht, weil sich der Brechungsindex von Glas mit der Wellenlänge des Lichts ändert. Objektive, die längere Wellenlängen verwenden, haben im Vergleich längere Brennweiten als solche, die kürzere Wellenlängen verwenden.

Ein apochromatisches Objektiv korrigiert dieses Problem, indem es dafür sorgt, dass drei Wellenlängen, die das sichtbare Spektrum abdecken (in der Regel Blau, Grün und Rot), in der Bildebene zusammenlaufen. Infolgedessen erscheinen die Farben schärfer und weniger verzerrt, insbesondere an den Rändern der helleren Stellen eines Bildes, wo diese Art von Aberration am stärksten auffällt.


Die Objektive werden durch „aktive Ausrichtung“ hergestellt. Was ist damit gemeint?

Die aktive Ausrichtung ist eine Fertigungstechnik, bei der Messungen durchgeführt werden, während die einzelnen Linsenelemente präzise ausgerichtet und in der Optomechanik montiert werden.

Bei unseren 120i-Objektiven wird nur ein Linsenelement aktiv ausgerichtet, wodurch wir eine beugungsbegrenzte Leistung bei relativ niedrigen Produktionskosten erzielen können. Dies wird dadurch erreicht, dass das Objektivsystem zunächst so entwickelt wird, dass die Empfindlichkeit für Toleranzen auf ein einzelnes Bauelement gelegt wird, wodurch die Empfindlichkeit der anderen Linsen reduziert wird. Auf diese Weise können wir alle anderen Elemente gemäß den Standardherstellungsverfahren für abbildende Objektive in das Gehäuse einbauen.

Anschließend setzen wir die empfindliche Objektivlinse in das Gehäuse ein und justieren die Position sowie die Neigung der Linse mit mehreren kleinen Stäben, die sie durch die Löcher im Gehäuse leicht anstoßen. Während dieses Prozesses wird ein Interferometer eingesetzt, um die entstehenden Wellenstreifen zu messen, die uns helfen, die Qualität der Ausrichtung der Linse zu beurteilen.
 

Was sind die Vorteile für den ­Anwender?

Bei den meisten Standardobjektiven hängt der Herstellungsprozess in erster Linie von den individuellen Toleranzen der Glaselemente im Verhältnis zu den optomechanischen Komponenten ab. Diese Elemente werden zusammengebaut, wobei sich die Toleranzen der einzelnen Linsen und optomechanischen Komponenten addieren, ohne dass der Hersteller die Möglichkeit hat, ihre Positionierung fein abzustimmen.

Jede Abweichung in der Größe oder Ausrichtung eines Bauteils kann jedoch zu unerwünschten Abbildungsfehlern führen, die sich in der Folge auf die gesamte Bildqualität auswirken können.

Bei aktiv ausgerichteten Objektiven werden die Aberrationen jedoch in der Regel reduziert, da die Toleranzen genauer kontrolliert werden können. Dies führt zu Objektiven mit höherer Auflösung und besserer Bildqualität.


Wie genau stellt Edmund Optics sicher, dass alle Objektive der Serie die gewünschten optischen Eigenschaften haben?

Bei Standardobjektiven sind Anpassungen der Komponenten während der Montage nicht möglich, sodass das fertige Produkt einer Prüfung unterzogen werden muss (zum Beispiel MTF- und Verzeichnungsanalyse), um festzustellen, ob seine Leistung den Mindestanforderungen entspricht.

Im Gegensatz dazu werden aktiv ausgerichtete Objektive während des Herstellungsprozesses und bei der Montage umfassenden Tests unterzogen. Bei den 120i-Objektiven wird ein Interferometer eingesetzt, um Koma-Aberrationen sowohl in der Achse als auch außerhalb der Achse zu messen, wobei ein verstellbarer Umlenkspiegel verwendet wird, um verschiedene Feldwinkel zu durchlaufen.
Mit einer optischen Simulationssoftware können wir die akzeptable Anzahl von Wellen/Streifen ermitteln, die erforderlich ist, um eine bestimmte Auflösung bei hervorragender Bildqualität zu erreichen. 

Da nur ein Objektivelement toleranzempfindlich ist, hängt die Leistung in erster Linie von der genauen Positionierung dieser einzelnen Glaslinse ab. 
Wir können dann die Ausrichtung dieses Elements so lange feineinstellen, bis es die vorgegebenen Kriterien erfüllt und eine erfolgreiche Qualitätsprüfung gewährleistet ist.


Mit welchem Zubehör von Edmund Optics ist die 120i-Serie kompatibel und gibt es hier Besonderheiten? 

Zusätzlich zu diesen Objektiven in drei Vergrößerungen hat Edmund Optics ein umfassendes Sortiment von Zubehör für Mikroskopieanwendungen. Dazu gehören der bereits erwähnte parfokale Adapter für Mikroskoprevolver, ein Filterwürfel für fluoreszenzbasierte Anwendungen oder Anwendungen mit Filtereinsatz sowie ein Koaxialport-Zubehör, mit dem der Benutzer eine Inline-Beleuchtung einrichten kann. Es sind auch zusätzliche Adapter für eine rechtwinklige Anordnung erhältlich, die eine noch kompaktere und flexiblere Lösung ermöglichen.

Kontakt

Edmund Optics Europe

Isaac-Fulda-Allee 5
55124 Mainz
Deutschland

+49 6131 5700 0

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