Fachartikel. Telezentrische Objektive für Kameras größer 1 Zoll

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1 Vision & Control GmbH Mittelbergstraße Suhl. Germany Telefon: / Telefax: / Fachartikel Telezentrische Objektive für Kameras größer 1 Zoll Telezentrische Objektive eignen sich aufgrund ihrer perspektivfreien Abbildung für Messaufgaben und zur Inspektion dreidimensionaler Gegenstände, da innerhalb des sogenannten Telezentriebereichs der Abbildungsmaßstab konstant bleibt. Für die industrielle Bildverarbeitung werden daher auf die Bildaufnehmergröße abgestimmte telezentrische Objektive in einem eng gestuften Abbildungsmaßstab entwickelt. Für die Messtechnik bieten telezentrische Objektive (TZO) große Vorteile, da sie aufgrund ihres optischen Aufbaus keine perspektivische Verzerrung aufweisen. Bei normalen (genauer: entozentrischen) Objektiven ändert sich die Größe des Objektes auf dem Bildaufnehmer bei Änderung des Arbeitsabstandes. Werden diese Gegenstände jetzt im Bild gemessen, so werden je nach Entfernung unterschiedliche Größen erfasst und ausgegeben. Anders bei Telezentrischen Objektiven: Aus jeder Entfernung werden die Gegenstände immer mit demselben Abbildungsmaßstab ohne perspektivischen Messfehler abgebildet. Was bedeutet 1 Zoll Kameragröße? Die Hersteller von Kameras für die industrielle Bildverarbeitung beziehen sich bei den Angaben der Bildaufnehmergrößen auf das Verhältnis zur früher üblichen 1 Zoll Röhrengröße der Vidicon-Kameras. Die Bildröhre besaß zwar einen Außendurchmesser von 25,4 mm, die für die Bilderfassung nutzbare Fläche wies aber nur eine Diagonale von etwa 16 mm auf.

2 Die Herstellerangabe 1 Zoll Kameragröße bedeutet, dass die Diagonale des Bildaufnehmers 16 mm beträgt. Bild 1 verdeutlicht den Größenunterschied des Bildaufnehmers bei einer 1/3 Zoll, 5/9 (= 1/1,8) Zoll und 1,2 Zoll-Kamera. Die Tabelle 1 stellt das Verhältnis von Kameragröße zur Diagonale der Bildaufnehmer dar. Bild 1: Vergleich der Bildaufnehmer von M1817E (1/3 Zoll), M1821E (5/9 Zoll und Pike F421B (1,2 Zoll) von links nach rechts Kameragröße Größe des Bildaufnehmers waagerecht (mm) Größe des Bildaufnehmers senkrecht (mm) Diagonale des Bildaufnehmers (mm) 1/4 Zoll /3 Zoll /2 Zoll /1.8 Zoll = (5/9 Zoll ) /3 Zoll Zoll Zoll Tabelle 1: Auflistung der in der industriellen Bildverarbeitung weit verbreiteten Bildaufnehmer mit den Standardmaßen Eigenschaften telezentrischer Objektive Telezentrie ist der Spezialfall, bei dem die Hauptstrahlen außerhalb des Objektivs parallel zur optischen Achse laufen, wodurch der Fehler durch die Perspektive eliminiert wird. Das Objekt erscheint in unterschiedlicher Entfernung gleich groß. Generell kann man in objektseitige, bildseitige und beidseitig telezentrische Objektive unterscheiden. In der Bildverarbeitung werden vorwiegend objektseitig telezentrische Objektive eingesetzt. Bei diesen Objektiven ändert sich der Abbildungsmaßstab ß' bei variierendem Arbeitsabstand nicht. Dieser entscheidende Vorteil setzt eine bestimmte Konfiguration des Strahlenverlaufes voraus: Die Frontlinsengruppe muss größer sein als das zu inspizierende Objekt. Daraus erklärt sich die Preisbildung für telezentrische Objektive.

3 Die telezentrischen Objektive der Firma Vision&Control werden durch zwei Zahlen gekennzeichnet: Die erste hinter dem T (für telezentrisch) kennzeichnet die Objektivfamilie und damit auch das erfasste Objektfeld. Die zweite Zahl repräsentiert den Betrag des Abbildungsmaßstabs ß'. Nach DIN 1335 kennzeichnet ß' das Verhältnis zwischen der Diagonale des Bildaufnehmers und der Diagonale des erfassten Objektfeldes. Sein in der Regel negatives Vorzeichen weist darauf hin, dass die Projektion des Objekts auf den Bildaufnehmer höhen- und seitenvertauscht erfolgt. Bei Messaufgaben in der industriellen Bildverarbeitung, bei denen Teile mit endlicher Tiefe überprüft werden müssen, stoßen entozentrische Objektive aufgrund des perspektivischen Fehlers an ihre Grenzen. Hier kommen die telezentrischen Objektive zum Einsatz. Aufgrund des parallelen Verlaufs der Hauptstrahlen können mit telezentrischen Objektiven auch glänzende Oberflächen gemessen und Glasobjekte kontrolliert werden. Ein Großteil der unerwünschten Reflexe, die durch spiegelnde Oberfläche entstehen, wird vom telezentrischen Objektiv nicht erfasst. Grundsätzlich lassen die telezentrischen Objektive in drei große Gruppen je nach Abbildungsmaßstab und Einsatzgebiet einteilen. Vergrößernde telezentrische Objektive haben einen Abbildungsmaßstab von -0,7 bis -10 und sind für Bildaufnehmerdiagonalen von maximal 1,2 Zoll (= 21,4 mm) geeignet. Eingesetzt werden sie speziell bei Messungen und Inspektionen an sehr kleinen und flachen Teilen und zur Überprüfung feiner Gitterstrukturen. Telezentrische Messobjektive mit einem Abbildungsmaßstab von -0,07 bis -0,7 für Objektfelder zwischen 6,6 x 4,9 mm 2 und 100 x 75 mm 2 und für eine maximale Bildaufnehmerdiagonale von 1,2 Zoll (= 21,4 mm) kommen beim Messen und Inspizieren von Teilen mit optisch kritischen Oberflächen- und Materialeigenschaften zum Einsatz. Auch bei der Inspektion von Teilen in unterschiedlichen Positionen vor der Kamera und zur Vollständigkeitskontrolle tiefer Teile mit Bohrungen und Durchbrüchen finden diese Objektive Anwendung. Telezentrische Großfeldobjektive weisen einen Abbildungsmaßstab von -0,03 bis -0,08 für Objektfelder zwischen 77 x 58 mm² und 360 x 230 mm² auf und eignen für Bildaufnehmerdiagonalen von maximal 1 Zoll. Einsatzgebiet dieser Objektive sind vor allem die Inspektion und Vollständigkeitskontrolle großer tiefer Teile wie Katalysatoren und Wärmetauscher. In Kombination mit telezentrischen Beleuchtungen ermöglichen die vergrößernden telezentrischen Objektive und die telezentrischen Messobjektive besonders präzise Messungen im Subpixel-Bereich. Diese Beleuchtungen liefern paralleles Licht und sichern eine specklefreie (Speckel: Sprenkel im Beleuchtungsmuster bei kohärenter Beleuchtung optisch rauer Oberflächen) Ausleuchtung des Objektes.

4 Anpassung der Objektivgröße an die Bildaufnehmergröße der Kameras Die Anpassung an einen größeren Bildaufnehmer erfordert immer ein neues optisches Design: Während der Durchmesser der Frontlinsengruppe durch die Größe des zu erfassenden Objektes festgelegt ist, erfährt das austretende Strahlenbündel eine größere Strahlneigung. Diese neue Linsenanordnung muss die Geometrie des C-Mount-Kamera-Anschlusses berücksichtigen. Wie in Bild 1 ersichtlich beschneidet das C-Mount-Gewinde in den Ecken fast das Sichtfeld des Bildaufnehmers. Der 1,2 Zoll- Bildaufnehmer repräsentiert die maximal mögliche Bildaufnehmerdiagonale mit C-Mount. Durch eine spezielle Platzierung der Öffnungsblende des Objektivs wird das Strahlenbündel ohne Beschneidung auf den Bildaufnehmer geleitet. Bild 2: Bildfeld mit vicotar T240/0,27 in Kombination mit Pike F-421B (1,2 Zoll) und Marlin F- 131B (2/3 Zoll) Bei Verwendung von Objektiven, die nicht für große Bildaufnehmer konzipiert sind, kommt es zur künstlichen Vignettierung, auch Abschattung genannt. Fassungsränder des Objektivs beschneiden den Bereich der lichtempfindlichen Fläche des Bildaufnehmers, der vom Licht getroffen wird. Wie in Bild 3 dargestellt wird die Matrix der Kamera dabei nicht komplett ausgeleuchtet. Zur Anpassung der heute üblicherweise eingesetzten 1,2 Zoll Bildaufnehmer werden weitere telezentrische Objektive mit C-Mount- und M42- Gewindeanschlüssen entwickelt. Bild 3: Aufnahme mit vicotar T240/0,27 (1,2Zoll-Objektiv; links) und vicotar T240/0,18 (1Zoll- Objektiv, rechts) in Kombination mit Pike F421B (1,2 Zoll-Kamera)

5 Objektive und Kamera entscheiden über die Genauigkeit Wie sich die Auswahl von Objektiv und Kamera auf eine geforderte Genauigkeit auswirken, soll das nachfolgende Beispiel zeigen. Das Prüfobjekt - ein Metallbolzen mit einer Länge von 50 mm - soll mit einer Genauigkeit von 10 µm detektiert werden. Um diese Genauigkeit zu erreichen, wird das Objekt bei Verwendung eines telezentrischen Objektivs in Kombination mit einer telezentrischen Beleuchtung mit Subpixelalgorithmus angetastet. Die TZB ist eine Spezialausführung der gerichteten Durchlichtbeleuchtung und hat analog zum TZO einen parallelen Strahlengang. Die Homogenität der Ausleuchtung des Sichtfeldes ist nahezu perfekt. Aufgrund der gerichteten Lichtstrahlen ist die TZB in Kombination mit einem TZO gegen Störungen durch Fremdlicht nahezu unempfindlich. Mit einem Subpixelalgorithmus lässt sich mathematisch der Ort einer Kante mit einer Genauigkeit genauer als ein Pixel finden. Vorraussetzung für die Kantendetektion im Subpixelbereich sind stabile Bedingungen bei der Beleuchtung und bei der Bildaufnahme. Bei einer Bolzenlänge von 50 mm wäre eine TZB mit einem Objektfeld, das einen maximalen Durchmesser von 60 mm ausleuchtet, ausreichend. Besser geeignet ist die jedoch ein Leuchtfelddurchmesser von 95 mm. Variante 1: Bei Einsatz der CMOS Kamera Marlin F-131B mit einem 1/2 Zoll- Bildaufnehmer und einer Auflösung von 1392 x 1040 Pixel wird das dazu notwendige TZO vicotar T240/0,10 mit einem Abbildungsmaßstab ß' von - 1 /9,87 verwendet. Die Kamera erfasst ein Objektfeld von 63 x 47 mm 2 mit einer objektseitigen Pixelgröße von p= (Pixelpitch Kamera) / ( Abbildungsmaßstab Objektivs) = 45,9 µm. Nach dem vielfach erprobten Erfahrungswert im Hause Vision&Control bei Einsatz eines Telezentrischen Objektivs, einer telezentrischen Beleuchtung und eines Subpixelalgorithmus für die Berechnung der zu erwartenden Genauigkeit von 0,3 x p ergibt sich eine zu erwartende Genauigkeit von 0,3 x 45,9 µm = 13,8 µm. Damit kann die geforderte Genauigkeit von 10 µm nicht garantiert werden. Variante 2: Hier kommt die CCD-Kamera Pike F-421B mit einem 1,2 Zoll-Bildaufnehmer und einer Auflösung von 2048 x 2048 Pixel zum Einsatz. Das dazu notwendige TZO vicotar T240/0,27 verfügt über einen Abbildungsmaßstab ß' von -1 / 3,69. Das von der Kamera erfasste Objektfeld beträgt in diesem Fall 56 x 56 mm 2 mit einer objektseitigen Pixelgröße von p = 27,3 µm. Die zu erwartende Genauigkeit wird dann 0,3 x 27,3 µm = 8,2 µm.

6 Bild 4: Aufbau mit telezentrischer Beleuchtung vicolux TZB95-R (unten), telezentrischem Objektiv vicotar T240/0,27 (oben), Pike F-421B, modulares Aufspann-System OHM240, Kamerahalter KH-1 und Objektträger Fazit Das Zusammenspiel der drei Komponenten Optik, Beleuchtung und Kamera ist in der industriellen Bildverarbeitung entscheidend für die Messgenauigkeit. Bei gleich bleibender Pixelgröße auf dem Bildaufnehmer erhöht sich die Genauigkeit, je mehr Pixel für die Auswertung zur Verfügung stehen. Der 1,2 Zoll-Bildaufnehmer der Firma Kodak wird aufgrund seiner Auflösung von 2048 x 2048 Pixel zunehmend in industriellen Kameras eingesetzt. Aus dem Objektivportfolio von Vision & Control können sowohl entozentrische als auch telezentrische Objektive diesen Bildaufnehmer mit einer Diagonale von 21,4mm bedienen und infolgedessen auch die Genauigkeit des Bildverarbeitungssystems steigern. Author: Alexander Schmidt Position: Produkt Manager Beleuchtung/Optik Company: Vision & Control GmbH Tel.: +49 (0)3681/ Fax: +49 (0)3681/