2.4 Technische Optik. Dieses Skript ist eine Ergänzung zu der Vorlesung Technische Bildverarbeitung. Es ist kein Lehrbuch.

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1 2.4 Technische Optik Dieses Skript ist eine Ergänzung zu der Vorlesung Technische Bildverarbeitung. Es ist kein Lehrbuch. Dieses Skript darf ausschließlich als begleitendes Lehrmittel für die Vorlesung genutzt werden. Andere Nutzungen sind mit den Verfassern abzuklären. Vervielfältigung, Übersetzungen, Mikroverfilmung und die Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen (auch auszugsweise) ist nur nach Rücksprache und mit Erlaubnis der Verfasser zulässig. In diesem Skript werden Produkte einzelner Firmen als Beispiel verwendet. Die Auswahl dieser Produkte stellt keine Bewertung dar, sondern erfolgte ausschließlich nach didaktischen Gesichtspunkten. Die angegebenen Preise sind als Orientierungshinweis zu sehen. Bei Fragen, Kritik, Verbesserungsvorschlägen : Dipl.-Ing. Dirk Mohr Raum C2 05 Tel.: dirk.mohr@hs-bochum.de Bochum, den Kapitel 2.4 Seite 38

2 2.4 Technische Optik Abbildung In der Technischen Bildverarbeitung (wie z.b. auch in der Fotografie) muss auf einem Bildwandler ein reelle optische Abbildung eines Gegenstandes erzeugt werden. Von einem Objekt, das sich in endlicher Entfernung von dem Bildwandler befindet, gehen von jedem Punkt unzählige Lichtstrahlen in alle Richtungen aus (Strahler oder Reflektion). Diese treffen auf alle Punkte des Wandlers. Es entsteht keine reelle Abbildung. Um trotzdem eine reelle Abbildung zu bekommen, kann man die Anzahl der Lichtstrahlen, die auf den Wandler treffen, begrenzen. Das ist das Prinzip der Lochkamera (camera obscura). Hierbei erhält man eine (auf dem Kopf stehende) Abbildung des Objekts. Die Abbildung lässt bei geeignetem Abstand von dem Objekt, geeigneter Lochgröße und passender Gehäusetiefe Details des Objekts erkennen. Die Abbildung zeigt eine gewisse Schärfe. Abb Prinzip Lochkamera Quelle : Kapitel 2.4 Seite 39

3 Die Schärfe, also die Genauigkeit des mit der Lochkamera erzielten Abbildes, reicht nicht für die Technische Bildverarbeitung aus. Um die Schärfe zu verbessern, muss eine Komponente verwendet werden, die die Lichtstrahlen so lenkt, das die Strahlen, die von einem Punkt des Gegenstandes ausgehen, auch wieder in einem Punkt des Bildwandlers zusammengeführt werden. Solch eine Komponente ist eine Sammellinse. Diese bündelt die Lichtstrahlen in einer Ebene. Legt man in diese Ebene den Bildwandler, so bekommt man ein scharfes Abbild des Objekts. Um den Anforderungen der TBV gerecht zu werden, verwendet man mehrere Linsen, die in einem Objektiv kombiniert sind. Dabei sind folgende Größen zu beachten. G Gegenstandsgröße : Größe des abzubildenden Objekts g Gegenstandsweite : Abstand des Objekts von der Mitte des Linsensystems (Objektiv) f Brennweite : Kenngröße des Objektivs B Bildgröße : Größe des Abbilds, oftmals eine Dimension des Bildwandlers b Bildabstand : Kameraauszug Der Bildabstand b wird vom sog. Auflagemaß mitbestimmt. Das Auflagemaß ist der Abstand zwischen dem Bildwandler und dem Ende des Objektivgewindes. In der Industrie haben sich Standards für diese Abstände etabliert. C Mount : 17.5 mm CS Mount : 12.5 mm Abb Auflagemaß Quelle : The Imaging Source Europe GmbH Kapitel 2.4 Seite 40

4 Abb Linsenformel nach Descartes Kapitel 2.4 Seite 41

5 2.4.2 Berechnungsbeispiel Eine rechteckige Aluminiumplatte von 100 * 50 mm soll auf einem 1/3 Bildwandler (formatfüllend) abgebildet werden. Der Arbeitsabstand beträgt 1m. Welche Brennweite muss das zu verwendende Objektiv haben? -Gegeben : G1 = 100 mm, G2 = 50 mm, g = 1000 mm, B1 = 4.8 mm, B2 = 3.6 mm -Ges : f f = g / ( 1 + G / B) = 1000 mm / ( mm / 4.8 mm) = 45 mm Kontrolle für andere Wandlerseite : Verhältnis B1 / B2 = 1,33 Auf der Seite B2 werden also 100 mm / 1.33 = 75 mm abgebildet. Das sind mehr als die geforderten 50 mm. Kapitel 2.4 Seite 42

6 2.4.3 Entozentrische- und Telezentrische Objektive Die bisher besprochenen Objektive haben die Eigenschaft, dass sich bei Änderung der Gegenstandsweite (trotz konstanter Gegenstandsgröße) auch die Bildgröße ändert (entozentrische Perspektive). Dieser Sachverhalt ist in Abbildung dargestellt. Abb Entozentrische Perspektive Kapitel 2.4 Seite 43

7 Nähert sich der Gegenstand dem Objektiv von g1 auf g2, so wird der Gegenstand in der Ebene b2 scharf abgebildet. Da sich der Bildwandler aber fest auf Position b1 befindet, ergibt sich hier eine unscharfe Abbildung. Dies hat meist auch eine Größenänderung der Bildgröße zur Folge. Wenn also in der Praxis ein Objekt abgebildet wird und sich der Abstand zum Bildverarbeitungssystem ändert (z.b. durch den Materialtransport), ändert sich bei gleichbleibender Objektgrösse die Bildgrösse. Welche Änderung der Gegenstandsweite zulässig ist, ohne das die Messung verfälscht wird, beschreibt die sog. Schärfentiefe. Ebenfalls Einfluss auf die Tiefenschärfe hat die Blende des Objektivs. Diese ist meist verstellbar und im Strahlengang vor dem Linsensystem angebracht. Durch konzentrische Verstellung lässt sich die einfallende Lichtmenge reduzieren und so das optische System an die Lichtverhältnisse anpassen. Wie in Abb zu erkennen ist, sind die achsparallelen Lichtstrahlen kaum an der Bildung der entozentrischen Perspektive beteiligt. Durch eine weiter geschlossenes Blende können nur achsparallele Strahlen passieren. So hat eine weiter geschlossene Blende (neben einer geringeren Helligkeit) eine größere Schärfentiefe zur Folge. Abb Prinzip der Blende Kapitel 2.4 Seite 44

8 Um die Änderung der Gegenstandsweite (Abb ) auszugleichen, müsste die Bildweite ebenfalls verändert werden. Da der Bildwandler in der Regel fest montiert ist, lässt sich der Kameraauszug bei Objektiven meist ändern und so auf veränderte Gegenstandsweiten einstellen. Die Einstellung ist durch die Bauart begrenzt. So geht der Einstellbereich meist von (minimaler Abstand Wandler Linsensystem) bis zur sog. Minimalen Objekt Distanz (MOD). Die MOD legt also die kleinste Gegenstandsweite fest, bei der ein Objekt noch scharf abgebildet wird. Reicht diese nicht aus, lässt sich durch Zwischenringe, die zwischen Kamera und Objektiv geschraubt werden, die MOD verkleinern. In der praktischen Anwendung lässt sich der Kameraauszug nicht immer an wechselnde Abstände anpassen. Wird z. B ein Blech kontrolliert, das sich auf Grund des Transportsystems und einer Eigendynamik wellenförmig bewegt (Hub in Richtung Bildverarbeitung), so ist eine Nachführung des Kameraauszugs oftmals nicht möglich. Für solche Anwendungsfälle wurden die sog. Telezentrischen Objektive entwickelt. Dies sind komplexe Linsensysteme, die einen erweiterten Schärfentiefenbereich haben. Dies wird allerdings mit einer geringen Lichtdurchlässigkeit, einer großen Bauform und einem höheren Preis erkauft. Abb Versuchsaufbau mit telezentrischem Objektiv Kapitel 2.4 Seite 45

9 Abbildung gleichgroßer Werkstücke mit entozentrischem (oben) und telezentrischem Objektiv Quelle : tm 4/ 98 Dr. Rainer Schuhmann, Thomas Thöniß Spindler & Hoyer GmbH, Göttingen Kapitel 2.4 Seite 46

10 2.4.4 Spezielle Objektive Perizentrische Objektive Durch spezielle Optiken 360-Grad-Bild in einer Aufnahme Keine Multi-Kamera-Systeme nötig Abb Perizentrisches Objektiv Quelle : Opto Engineering srl Kapitel 2.4 Seite 47

11 Abb Aufnahme mit perizentrischem Objektiv Quelle : Opto Engineering srl Kapitel 2.4 Seite 48

12 Multi-Spiegel-Objektiv Betrachtung des Prüfteils mit telezentrischem Objektiv durch eine Anordnung von Spiegeln Mehrere Seitenansichten des Prüfteils in einer Aufnahme Quelle : Opto Engineering srl Kapitel 2.4 Seite 49

13 Quelle : Opto Engineering srl Kapitel 2.4 Seite 50

14 Objektive zur Lochinspektion Inspektion tiefer Objekte (Hohlräume) Durch großen Blickwinkel detaillierte Aufnahmen von z.b. Innenseiten von Bohrlöchern Hohlrauminspektion Quelle : Opto Engineering srl Kapitel 2.4 Seite 51

15 Quelle : Opto Engineering srl Kapitel 2.4 Seite 52

16 2.4.5 Technische Daten von Objektive (exemplarisch) Bezeichnung : COSMICAR B5014A(KA) Die Ergänzung KA bedeutet, dass die Blende und der Fokus mit jeweils einer Schraube feststellbar sind. Dies ist sehr wichtig in der industriellen Anwendung! Format : 2/3 Da die Objektivfehler in den Randbereichen verstärkt auftreten, sollten die Objektive mindestens das Format des Wandlers haben. Brennweite : 50.0 mm s. S. 29ff Blendenbereich : 1.8 closed Beschreibt die relative Öffnung der Blende, auch Blendenzahl k k = f / d (d : wirksame Öffnung des Objektivs) kleines k -> große Öffnung -> viel Licht Eintauchtiefe : 3.5 mm Gewindelänge des Objektivs s. Abb Mount : C : s. Abb Abb COSMICAR B5014A(KA) Kapitel 2.4 Seite 53

17 Horizontaler Blickwinkel : 10 0 Eigenschaft, die die Unterteilung der Objektive in Weitwinkel, Tele... usw ermöglicht (in der Technischen BV nicht klar abgegrenzt). Kurze Brennweite <-> großer Blickwinkel MOD : 1m Minimale Objekt Distanz s. S Filter Durchmesser : 40.5 mm Angabe des frontseitigen Gewindes für die Filterbefestigung. Bei Verwendung z.b. einer LED -Beleuchtung kann ein optisches Bandpassfilter mit genau bestimmter Durchlasscharakteristik verwendet werden -> Verringerung von Fremdlichteinfluss Durchmesser : 42 mm Länge : 52.5 mm Gewicht : 130 g Preis : 300 EUR Kapitel 2.4 Seite 54

18 Bezeichnung : Sill Optics Telezentrisches Objektiv S5LPJ9046/M42 Dieses Telezentrische Objektiv wurde speziell für die Verwendung mit großformatigen Bildwandlern (z.b. Zeile 30 mm) entwickelt. Diese haben meist keine C / oder CS Mount Anschlüsse, sondern eigene Normen wie z.b. M42. Länge mm Wegen der sehr aufwändigen Linsenkonstruktion haben Telezentrische Objektive meist eine relativ große Länge (Objektive bis 1000 mm). Arbeitsabstand : mm Telezentrische Objektive arbeiten meist mit einem festen Arbeitsabstand. Ein scharf stellen am Objektiv entfällt. Vor und hinter diesem Abstand findet sich der Telezentriebereich. Nach Abgaben des Herstellers bei diesem Objektiv +/- 2 mm. Ein Gegenstand, der sich in diesem Bereich findet, wird immer scharf abgebildet. Numerische Apertur : 0.16 Einige Hersteller geben nicht die Blendenzahl, sondern die numerische Apertur an. Näherungsweise lassen sich die Werte nach folgender Formel umrechnen : k = 1 / 2NA. Telezentrische Objektive haben meist keine verstellbare Blende. Wegen der speziellen Konstruktion und Wirkungsweise (s. vorherige Seiten) sind diese Objektive lichtschwach. Die hier angegebene NA von 0.16 entspricht einer Blendenzahl von 3.1. Kapitel 2.4 Seite 55

19 Abbildungsmaßstab : 0.46 Der Abbildungsmaßstab m = B / G ist der Quotient aus Bildgröße und Gegenstandsgröße. Daraus ergeben sich dann die maximalen Objektfelder: bei ½ Chip -> 13 mm * 10mm, bei 28 mm Zeile -> 60 mm Preis : 2500 EUR Kapitel 2.4 Seite 56 Abb Telezentrisches Objektiv Sill Optics S5LPJ9046/M42

20 2.4.6 Objektivfehler Auch bei der Verwendung hochwertiger Objektive kommt es Fehlern bei der Erzeugung einer Abbildung durch das optische System. Im Folgenden sind einige dieser Fehler beschrieben. Die Bilder wurden der Veröffentlichung Anwendungsbezogene Grundlagen der Optik für die industrielle Bildverarbeitung, Fa. PENTAX Europe GmbH entnommen. Vignettierung Beschreibung : Lichtabfall in den Bildecken durch mechanische und physikalische Effekte. Beseitigung bzw. Optimierung : - Format Objektiv größer Format Bildwandler - Abblenden Copyright TU Berlin Kapitel 2.4 Seite 57

21 Chromatische Aberration (Farblängsfehler und Farbquerfehler) Beschreibung : Lichtbrechung einer ist Linse von der Wellenlänge des Lichts abhängig. Farben des Spektrums haben keinen gemeinsamen Brennpunkt. Es treten Unschärfen im Bild auf. Beseitigung bzw. Optimierung : - Optimierte Objektive - Abblenden - Verwenden von schmalbandigen Lichtquellen (LED s, Laserdioden) Kapitel 2.4 Seite 58

22 Sphärische Abberation Beschreibung : Sphärische Linsen haben im Zentrum und am Rand unterschiedliche Brennweiten Es treten Unschärfen im Bild auf. Beseitigung bzw. Optimierung : - Format Objektiv größer Format Bildwandler - Abblenden Verzeichnung (Distorsion) Beschreibung : Nichtsymmetrischer Aufbau der Optik mit Blende vor oder hinter dem optischen Zentrum der Optik. Beseitigung bzw. Optimierung : - Format Objektiv größer Format Bildwandler - Abblenden - geometrische Entzerrung mittels Bildverarbeitung Kapitel 2.4 Seite 59

23 Weitere Informationen finden Sie hier : Kapitel 2.4 Seite 60