Fachartikel. Optimal abgestimmte Optik- und Beleuchtungsbaugruppen für die industrielle Bildverarbeitung

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1 Vision & Control GmbH Mittelbergstraße Suhl. Germany Telefon: / Telefax: / Fachartikel Klein und leistungsfähig Optimal abgestimmte Optik- und Beleuchtungsbaugruppen für die industrielle Bildverarbeitung Industriegüter unterliegen heute der Miniaturisierung. Maschinenbauer folgen diesem Trend, indem sie immer kompaktere Maschinen anbieten, die kleine Objekte produzieren, weiterverarbeiten und transportieren. Ein wichtiger Bestandteil innerhalb der Maschine ist das Bildverarbeitungssystem für die 100%ige Automatisierung und Qualitätskontrolle. Die Hersteller von Bildverarbeitungskomponenten reagieren auf die Miniaturisierung und bieten ihrerseits Komponenten an, die sich durch immer weiter reduzierte Bauformen bei gleichzeitiger Erhöhung der Leistungsfähigkeit auszeichnen. Dem Anwender steht in den meisten Applikationen für die Montage des Bildverarbeitungssystems nur ein Minimum an Bauraum zur Verfügung. Kombinierbare Optik- und Beleuchtungskomponenten bieten den Vorteil, dass sie sich einfach und sicher auch unter engsten Einbaubedingungen in die Maschinen integrieren lassen. Kleine Prüfobjekte werden für Prüf- und Messaufgaben in der industriellen Bildverarbeitung mittels entozentrischer und telezentrischer Objektive erfasst und auf dem Bildaufnehmer abgebildet.

2 Entozentrie Entozentrische Objektive haben eine normale Perspektive. Das bedeutet, in Abhängigkeit von der Objektentfernung zum Bildaufnahmesystem ändert sich die Bildgröße auf dem Bildaufnehmer z.b. einer Kamera. Attributive Prüfungen, Beobachtungsaufgaben und Anwesenheitskontrollen sind dabei typische Anwendungsgebiete für den Einsatz von entozentrischen Standardoptiken. Telezentrie Demgegenüber ist bei den telezentrischen Objektiven der Fehler, der sich durch die Perspektive ergibt, eliminiert. Die optischen Hauptstrahlen verlaufen außerhalb der Optikbaugruppe parallel zur optischen Achse und ermöglichen so die perspektivfreie Abbildung. Telezentrische Objektive sind deshalb bei anspruchsvollen Messaufgaben gegenüber der entozentrischen Bauart zu bevorzugen. Weitere Anwendungsgebiete sind z.b. das Überprüfen von stark glänzenden Teilen oder die Kontrolle von Glasobjekten. Bei der Auswahl des geeigneten Objektivs für die Abbildung, insbesondere von kleinen Objekten, sollte der Anwender folgende Parameter berücksichtigen: Abbildungsmaßstab Der Abbildungsmaßstab ß ist nach DIN1335 definiert als das Größenverhältnis eines Prüfobjektes in der Bildebene zur Objektebene. Die Anzahl der verfügbaren Bildpunkte (Pixel) bestimmt die Messgenauigkeit des Bildverarbeitungssystems. Das bedeutet, dass mit steigender Größe der Abbildung eines Objektes auf dem gleichen Bildaufnehmer die Genauigkeit des Bildverarbeitungssystems zunimmt. Schärfentiefe Die Schärfentiefe eines optischen Systems gibt den Bereich an, indem die Position des zu inspizierenden Teils entlang der optischen Achse variieren darf, ohne dass eine merkliche Änderung der Bildschärfe auftritt. Der Schärfentiefebereich wird durch den Abbildungsmaßstab und die Apertur (Blendenöffnung) des optischen Systems bestimmt. In Prüfanwendungen kann der Anwender applikationsbedingt aufgrund mechanischer Zuführung einen konstanten Abstand zwischen Vorderkante Objektiv und Prüfebene, den sog. Arbeitsabstand, in der Regel nicht garantieren. Hier bieten Objektive mit einer variablen Blende den Vorteil, dass die Schärfentiefe über einen bestimmten Bereich frei einstellbar ist und damit eine Anpassung des Schärfentiefebereichs an die Applikationsanforderungen ermöglicht. Bedingt durch den Abbildungsmaßstab nimmt der Schärfentiefebereich mit abnehmender Größe des Gesichtsfeldes ab. Applikationen mit Vergrößerungen erfordern bei der Auswahl des optischen Systems einen Kompromiss zwischen Genauigkeit des Bildverarbeitungssystems, d.h. Abbildungsgröße des Objektes, und Schärfentiefebereich.

3 Bauform Entozentrische Objektive haben aufgrund der optischen Abbildungseigenschaften im Vergleich zu telezentrischen Objektiven eine relativ kleine Bauform. Hingegen fordert der Strahlengang bei telezentrischen Optiken, dass der Frontlinsendurchmesser größer sein muss als das zu beobachtende Objekt. Objektive mit standardisierten Einschraubgewinden vor der Frontlinse (objektseitig) oder im Kameraanschlussflansch (bildseitig) gestatten eine einfache Montage von Schutzgläsern und Filtern. So genannte Steckadapter bieten dem Anwender Abhilfe, wenn bauartbedingt kein Gewinde verfügbar ist, und sollten vom Hersteller mit angeboten werden. Telezentrische Objektive haben zum Teil beachtliche Baulängen. Spezielle Umlenkeinheiten sorgen dafür, dass durch Abwinkelung des Strahlenganges auch bei langen Lichtwegen kompakte Bauformen im rauen Industrieeinsatz realisierbar sind. Ein aufeinander abgestimmtes Design von Optik und Beleuchtung bietet dem Anwender den Vorteil, dass die einzelnen Komponenten sich einfach zu einer Baugruppe (siehe Abbildung 1) mit geringen Abmaßen montieren lassen und gestatten dadurch die Integration auch unter sehr beengten Platzverhältnissen. Abbildung 1: Spezielle Adapter und ein kompaktes mechanisches Design ermöglichen die Montage der Ringbeleuchtung RK1220 an verschiedenen entozentrischen und telezentrischen Objektiven Neben kompakten Objektiven sind kleine, kompakte Beleuchtungen für engste Umgebungsbedingungen im industriellen Einsatz unabdingbar. Um die richtige Beleuchtungsvariante für die zu lösende Aufgabe auszuwählen, sollte man folgende Kriterien beachten: Helligkeit Aufgrund der kleinen Bauform sind kompakte Hochleistungs-LED-Beleuchtungen mit maximaler Helligkeit für die Aufnahme von kontrastreichen Bildern notwendig. Verschiedene Hersteller geben die Helligkeit einer diffusen Beleuchtung durch die Leuchtdichte L (Einheit: cd/m²) beziehungsweise für eine gerichtete Beleuchtung mittels der Beleuchtungsstärke E (Einheit: Lux) an. Diese Angaben erlauben dem Anwender den objektiven Vergleich zwischen gleichfarbigen Beleuchtungen innerhalb einer Beleuchtungsart. Kompakt und multifunktionell

4 Randlose LED-Flächenbeleuchtungen bieten gegenüber Standardflächenbeleuchtungen den Vorteil, dass die Leuchtfläche gleich der Grundfläche der Beleuchtung ist. Diese Spezialbeleuchtungen besitzen keinen Rand, der bei der Integration unter Umständen behindern kann. Zudem lassen sich diese Elemente auch zu größeren, randlos leuchtenden Flächen zusammensetzen oder können zum Aufbau von abgewinkelten Beleuchtungen genutzt werden. Standardflächenbeleuchtungen sind aufgrund ihrer äußeren Abmaße in kompakte Bildverarbeitungssysteme teilweise schwierig zu integrieren. Die Lösung sind Linienbeleuchtungen mit sehr kleinen Abmessungen. Sind die Längen der Leuchtfeldgrößen innerhalb eines bestimmten Rasters frei wählbar, erhöht das die Flexibilität des Einsatzgebietes. Vom Hersteller angebotene spezielle Halterungen gestatten die Montage von Linienbeleuchtungen verschiedenster Baulängen zu einer 4- Seitenbeleuchtung (siehe Abbildung 2). Die im Rechteck angeordneten Leuchtelemente können beliebig geneigt werden, sodass die Beleuchtungssituation vom Auflicht bis zum Dunkelfeld optimal einstellbar ist. Bei der Montage der 4-Seiten-beleuchtung stehen dem Anwender entsprechende Adapter (siehe Abbildung 3) für die direkte Montage an verschiedensten Objektiven zur Verfügung. Abbildung 2: Die Linienbeleuchtungen können dank speziellem Haltersystem zur einer individuell anpassbaren 4-Seitenbeleuchtung montiert werden. Abbildung 3: Verschiedene Objektivadapter ermöglichen die Montage der 4- Seitenbeleuchtung an entozentrischen und telezentrischen Objektiven. Das Hauptanwendungsgebiet von Ringbeleuchtungen sind Prüfszenarien im Auflicht. Die koaxialen Standardringbeleuchtungen sichern eine gerichtete Lichtführung. Durch ein umfangreiches Zubehör (siehe Abbildung 4) an verschiedensten Austauschoptiken lassen sich die Ringbeleuchtungen auf gerichtete, diffuse oder fokussierte Lichtführung einfach adaptieren und können so individuell an die unterschiedlichsten Beleuchtungsaufgaben

5 angepasst werden. Ein radiales Beleuchtungsszenario bedarf eines speziellen Dunkelfeldaufsatzes. Der Anwender kann mittels verschiedener Montageadapter die 4-Seiten-beleuchtung Platz sparend an entozentrische und telezentrische Objektive montieren. Abbildung 4: Ringbeleuchtung RK1220 mit umfangreichen Zubehör Fazit Die Miniaturisierung verlangt bei Bildverarbeitungsapplikationen Komponenten mit reduzierter und kompakter Bauform in einem modularen Konzept bei gleichzeitiger Leistungssteigerung in Bezug auf Flexibilität, Helligkeit, präzise Lichtführung und optische Auflösung. Bildverarbeitungskomponenten von einem Hersteller, der das Know How zur Entwicklung und Fertigung von sowohl Optik- als auch Beleuchtungseinheiten im Haus hat, überzeugen gerade durch ein intelligentes, aufeinander abgestimmtes Design. Diese Komponenten lassen sich optimal miteinander kombinieren und sind leicht zu kompakten Bilderfassungsbaugruppen montierbar. Dem Anwender stehen damit Baugruppen zur schnellen und sicheren Montage gerade unter engsten Platzverhältnissen zur Verfügung. Vision & Control stellt sich diesen Herausforderungen seit vielen Jahren und entwickelt, produziert und vertreibt als Technologieführer weltweit ein optimal abgestimmtes, modulares Baukastensystem von komplexen Bildverarbeitungssystemen wie Vision Sensoren, Intelligenten Kameras und Mehrkamerasystemen bis hin zu individuellen Hochleistungs-LED- Beleuchtungen und Präzisions-Optiken. Autor: Alexander Schmidt Position: Produktmanager Beleuchtung/Optik Firma: Vision & Control GmbH Tel.: +49 (0)3681/ Fax.: +49 (0)3681/ Publizierung: Inspect, Oktober 2008

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