Dipl.-Ing. Ingmar Jahr Schulungsleiter

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1 Eine Gemeinschaftsveranstaltung der VISON und der Vision Academy Erfurt. Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung II Dipl.-Ing. Ingmar Jahr Schulungsleiter Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION

2 Die Vision Academy Industrie-Dienstleister für Bildverarbeitung / Machine Vision Teil der Firmengruppe des Komponentenherstellers Vision & Control Geschäftsfelder: SCHULUNG BERATUNG WISSEN Unterstützung / Begleitung von Unternehmen zum erfolgreichen Technologie-Einsatz Leitspruch: Verstehen Beraten Anwenden effektive und fachrichtungsübergreifende Vermittlung von Praxiswissen BV-Lösungen prüfen, erörtern, entwickeln, begleiten weltweiter Aktionsradius Zielgruppe: Maschinenbauer, Produzenten, Systemintegratoren Ziele: weniger Kosten selbständiges Verstehen / Beherrschen der Technologie mehr Zeit passgenaue Beratung / Wissen mehr Sicherheit zuverlässig arbeitende Maschinen mit Bildverarbeitung zukunftsfähige Unternehmen Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION Einige unserer Kunden Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION

3 Motivation Bilder sind die Ausgangsdaten der Bildverarbeitung (BV)! Bildgewinnung = Schätze heben! Bildgewinnung ist verantwortlich für: Zuverlässigkeit / Sicherheit Genauigkeit Arbeitsersparnis Kostenersparnis der BV - Lösung Bildgewinnung ist ein komplexer Prozess entlang der Signalkette. Bildgewinnung braucht Wissen: Was ein BV-aussagekräftiges Bild? Was hier versäumt wird, läßt sich später nicht oder nur aufwändig kompensieren. Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION Signalkette der Machine Vision Der Grundaufbau ist immer ähnlich Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION

4 Signalkette der Machine Vision Bildgewinnung das Front end der Signalkette - Beleuchtung Zuführung - Teil Halterung - Optik - Sensor: Lichtverteilung Ladungsbild Spannung - (Übertragung) - Abtastung Digitalisierung - (Übertragung) - "Bild" als Datei im Rechner bei allen Schritten Informationsreduktion schwächstes Glied bestimmt Leistungsfähigkeit Systemkomponenten aufeinander abstimmen Erst danach kommt die eigentliche Bildverarbeitung! Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION Und das erwartet Sie jetzt Erstaunliches aus der Welt der Filter Störlichtunterdrückung Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION

5 Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION Öffnungsfehler, Astigmatismus, Koma, Bildfeldwölbung, Verzeichung machen Abbildung unscharf, kontrastarm, verzerrt, farbuntreu Objektive gleicher Brennweite / Öffnung i.a. verschieden korrigiert Abbildungsfehler in der Bildmitte am geringsten in Zonen konzentrischer Kreisen gleich groß Korrektionsdiagramme eindimensional Blendeneinstellung kann Abb.fehler verringern: Faustwert: mittlere Blende (8) Abbildungsdaten gültig nur für angegebenen Bereich: Abbildungsmaßstab, Lichtzusammensetzung, Bildgröße. viele Objektive auf ß =1/ korrigiert. Angaben in Datenblätter häufig nutzlos. Korrektionsdiagramm für Verzeichnung Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION

6 Abschätzung optischer Auflösung mit Siemensstern erste qualitative Einschätzung der optischen Auflösung Nutzung zum scharf einstellen Vergleich von Objektiven Prüfung Gleichmäßigkeit von Abbildungsfehlern (Zentralsymmetrie zur Bildmitte) Ort mit Moiré Grenzauflösung Achtung: Monitorauflösung geht mit ein! Bei bekanntem Durchmesser können Linienfrequenzen berechnet werden Bei Kenntnis der Theorie der Abbildungsfehler können einzelne Fehler abgelesen werden. Zu große Auszugsverlängerung mit 80 mm Zwischenringen. Folge: kontrastarmes, unscharfes Bild durch Abbildungsfehler. Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION Was MTF-Kurven verraten MTF: Beschreibung der Qualität von Optiken, Informationen verlustfrei (Kontrast) zu übertragen. DIN 58185: quantitative Angaben optische Auflösung von Objektiven fasst Abb.fehler zusammen (Verzeichnung unberücksichtigt) Übertragungsfunktion: Kontrast K Prüfobjekt Kontrast K Bild Wie viel Kontrast braucht BV? K`= 20 30% gelten als auswertbar! MTF-Testchart: USAF 1951 (MIL 150A) Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION

7 MTF als Funktion der Strukturfeinheit (lp/mm) (Quelle: Schneider Kreuznach) Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION MTF als Funktion des Bildortes - Objektivberwertung Parameter der MTF: Bildort (h / h max ) Ortsfrequenz Abbildungsmaßstab ß` Blendenzahl k Beleuchtungswellenlänge λ Darstellung MTF über der Bildhöhe Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION

8 Antireflexbeschichtung verbessert Kontrast Luft-Glas-Übergang: Reflexionsverluste Lichtschwäche, geringer Kontrast, parasitäre Reflexe, ca 4% je Übergang Glas-Luft 1 Linse: 8 % Verlust 5 Linsen: 33 % Verlust Vermeidung: λ/2 - Schichten, CaF 2 (bläulich) Breitbandbeschichtungen > 30 Schichten bei Objektivauswahl beachten Reflexion / % ohne Beschichtung Mehrfachbeschichtung Einfachbeschichtung CaF 2 Wellenlänge / nm Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION Begrenzung opt. Auflösung durch Beugung Punkt nicht als Punkt abgebildet Beugung vernichtet Auflösung: kleinster Abstand Unterscheidung 2 Punkte: Δx = 1,22 * k * λ kleines Scheibchen k große Auflösung Extremfall guter Objektive: beugungsbegrenztes Objektiv allein Beugung beschränkt optisches Auflösungsvermögen Beugungsbedingte Auflösungsobergrenze Objektiv: Blende erzeugt Beugung offene Blende am Besten geringe Schärfentiefe Faustregel: Beugungs-Auflösungsobergrenze [Lp/mm] = 1500 / 2 * k Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION

9 Begrenzung optischer Auflösung 1.) durch Abbildungsfehler (siehe MTF) 2.) durch Beugung / Blendeneinstellung (beugungsbegrenztes Objektiv) 3.) durch Fokussierung / Verkippung Bildaufnehmer 4.) Kleinere Pixel verlangen immer höhere Auflösungen von Objektiven Mythos Megapixelobjektiv technisch nicht definiert - Marketingausdruck Anzahl der Megapixel? 1? 10? 50? Was gilt als auswertbare Auflösung und wie ist diese über das Bildfeld verteilt? Wie ist Unschärfedefinition im Bild? Wie viele Lp/mm braucht es, um auswertbare Bilder zu bekommen? 5% 10% 30% Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION Natürliche Vignettierung E(w) = E 0 * cos 4 w (cos 4 -Gesetz) mit E 0 - Beleuchtungsstärke Bildmitte, w - Einfallswinkel Helligkeitsabfall zum Bildrand, bei schräg einfallendem Licht bei Weitwinkelobjektiven z.t. extrem - auch bei langen Brennweiten und telez. Objektiven Entstehung an Blenden (Objektiv) und an Bildsensoren (Mikrolinsenarrays, HAD-Sensor) Kleinere effektive Eintrittpupille Reduzierte Lichtmenge durch HAD-Bildsensor Mikrolinsenarray auf Pixeln bei seitlichem Lichteinfall sorgt für weniger Licht Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION

10 Natürliche Vignettierung Wirkung: Algorithmen arbeiten nicht überall im Gesichtsfeld gleich Unsicher, unzuverlässig, Kompensation: a) per Software: Shading-Korrektur (Voraussetzung: lineare Kennlinie!) b) Kompensation über Beleuchtung (komplementäres Profil) c) bildseitig telezentrisches Objektiv (senkrechter Lichteinfall auf Sensor) Bild oben: homogene weiße Fläche, homogen beleuchtet, Objektiv f=6mm (w~300) Bildmitte: Grauwert 230 Bildrand: Grauwert 140 Bild Mitte: komplementäres Beleuchtungsprofil Bild unten: Korrekturdarstellung Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION Künstliche Vignettierung Angabe max. Bildaufnehmergröße für Objektive kleinere Bildaufnehmer immer möglich größere nicht möglich, sonst künstliche Vignettierung Schlüssellocheffekt freie Felder in Auswahltabellen Hinweis auf künstliche Vignettierung. Bildfeld von Bildsensoren Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION

11 Verzeichnung Bedeutendster Fehler für dimensionelles Messen im Bild Abbildungsmaßstab über Bildfeld nicht konstant Bildgröße abhängig vom Bildort: Objekt und Bild mathematisch nicht ähnlich! Verzeichnung von 1 0 / 00 am Monitor nachweisbar (Haarlineal). Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION Verzeichnung Auswirkungen auf die Abbildung Auswirkung Verzeichnung auf alle metrischen Größen: Abstand, Fläche, Kontur, Geradheit, Rundheit Einfluss abhänig von Größe / Position der Prüfobjekte: a) gleiche Position / gleiche Größe: geringer Einfluss Differenz metrischer Größen gering b) verschiedene Position / gleiche Größe: großer Einfluss, da ß variiert Differenz metischer Größen steigt zum Bildrand an c) verschiedene Position / verschiedene Größe: stärkster Einfluss, da ß und Größe des Teils variiert 30 x 30 Pixel 20 x 20 Pixel 20 x 20 Pixel 25 x 25 Pixel Fall a) Fall b) und c) (bei kissenförmiger Verzeichnung) Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION

12 Verzeichnung Auswirkungen auf die Abbildung Abbildungsmaßstab meist nur an nur einer Stelle im Bild kalibriert (Ort des Normals) nur dort stimmen die gemessenen Werte neben Abbildungsmaßstab muss Verzeichnung kalibriert werden! Verzeichungskorrektur ermöglicht Nutzung günstigerer / technisch geeigneterer Objektive ermöglicht neue Einsatzfälle, wo bisher nur prinzipbedingt verzerrende Objektive verfügbar waren (Weitwinkel, telez. Großfeldobjektve jetzt mit gesteigerter Genauigkeit) andere geometrische Verzerrungen werden auch beseitigt: perspektivische, zylindrische, stützende Linien Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION Stativgrundplatte aufgenommen Punktraster liegt auf der Grundplatte Berechnetes entzerrtes Bild mit starker Tonnenverzeichnung Ergebnis der Korrektur Pixelauflösung im Bild nicht mehr konstant Entzerrungsbereich u.u. unschärfer Möglichkeiten für nicht-maßliches Prüfen sind erweitert Möglichkeiten für maßliches Prüfen (Messen) bleiben beschränkt Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION

13 Justierung lotrechte Ausrichtung Senkrechte Ausrichtung optische Achse zu Objektebene: Funktion beruht auf Koinzidenz zweier Fadenkreuze Justierhilfe für Durchlicht oder Auflicht (Beleuchtung integriert) telezentrische Objektive: Funktion auch außerhalb optischer Achse entozentrische Objektive: Funktion nur an einem Punkt: Strahl senkrecht aus Objektebene Herstellung lotrechte Einstellung durch Kippen / Neigen um x- bzw. y-achse Kamerabild bei lotrechter Abweichung in x-richtung Abweichung in y-richtung Justierhilfe Ausrichtung Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION Schulung Beratung - Wissen Schulung Beratung verschiedene Anwendergruppen Basics, Themen, Experten, Branchen, Inhouse Aufbau von BV-Abteilungen weltweit Applikationslabor Anwendungsberatung Machbarkeitsuntersuchungen Lösungsworkshops Komponentenauswahl / -optimierung Inbetriebnahme- / Projektbegleitung Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION

14 Schulung Beratung - Wissen Wissen Systematisierung, Vermittlung, Didaktik Verstehen - Begreifen Anwenden Transfer Termine und mehr: 27 Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION Knacken Sie mit uns harte Nüsse! Wir freuen uns auf Ihre Herausforderungen. Vision Academy Tipps & Tricks zu Optik & Beleuchtung, VISION