FOKUSVARIABLE TELEZENTRISCHE OBJEKTIVE -

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1 FOKUSVARIABLE TELEZENTRISCHE OBJEKTIVE - EIN TOOL FÜR 3D-MESSUNGEN? 09.MAI 2017 Andreas Platz, Sill Optics GmbH & Co. KG

2 INHALT Fokusvariable Linsen (Fa. Optotune, Switzerland) Telezentrische Objektive Telezentrische Objektive mit integrierter fokusvariabler Linse Integrationsprinzip Prototypen, Ergebnisse, Serie Einfluss auf Produktparameter Anwendungsfälle Große nutzbare Schärfentiefe Z-Scan 2

3 FOKUSVARIABLE LINSEN Wirkprinzip Flüssiglinse mit geringer Brechzahl und sehr guten Dispersionseigenschaften (gute Farbstabilität) Variation der Linsenkrümmung über einen elektronisch angesteuerten Ring, der die Membran entsprechend formt Ansteuerung mit -250mA bis +250mA Brechwertbereich -2,0 dpt bis +3,0 dpt Optotune EL TC-VIS-5D freie Öffnung Ø16mm Wiederholbarkeit +/-0,1 dpt Betriebstemperatur: -20 bis +65 C Lebensdauer >10 9 Schaltzyklen 3

4 FOKUSVARIABLE LINSEN Einstellbereich Nomineller Bereich: -2,0 dpt bis +3,0 dpt für +/-250 ma Lineares Verhalten Maximaler Strom: +/- 500 ma stärkerer Temperatureinfluss, geringere Wiederholgenauigkeit 4

5 FOKUSVARIABLE LINSEN Einstellgeschwindigkeit Nominelle Einstellzeit ca. 25 ms Aufnahmegeschwindigkeit 40 fps Je nach Genauigkeit/Schärfentiefe und Verstellbetrag auch 20ms/50fps erreichbar Über geeigneten Controller sind höhere Geschwindigkeiten und das Fahren einer Rampe möglich 5

6 FOKUSVARIABLE LINSEN Einsatzbereich: schnelle Verstellung des Arbeitsabstands Bildquelle: Optotune Switzerland AG 6

7 TELEZENTRISCHE OBJEKTIVE Telezentrisches Messprinzip Hauptstrahlen verlaufen im Objektraum parallel zur optischen Achse Eintrittspupille liegt im Unendlichen Vorteil für Messungen: Objektgröße ist unabhängig von Objektentfernung / variierendem Arbeitsabstand Tiefenausdehnung des Objektes Verstellbereich des Arbeitsabstands ist abhängig von Schärfentiefe des Objektivs 7

8 TELEZENTRISCHE OBJEKTIVE Schärfentiefe Schärfentiefe bei telezentrischen Objektiven voll nutzbar Abh. von Abbildungsmaßstab, Blendenöffnung, Auflösung DOF 8 F# y Pixel β ² = 4 y Pixel β NA Hoher Abbildungsmaßstab geringere Schärfentiefe Hohe Anforderung an Auflösung geringe Schärfentiefe Große Blendenöffnung (große NA / kleine F#) geringe Schärfentiefe 8

9 TELEZENTRISCHE OBJEKTIVE Vorteil einer variablen Blende Schärfentiefe kann vergrößert werden NA = 0,013 β = 0,29x DOF ca. 5 mm Pixelgröße 5,5 µm Arbeitsabstand NA = 0,008 β = 0,29x DOF ca. 10 mm Pixelgröße 5,5µm Arbeitsabstand 9

10 TELEZENTRISCHE OBJEKTIVE Schärfentiefe Wünsche Größerer Nutzbereich bei Vergrößerungen ab 0,3fach und v.a. für vergrößernde Objektive z.b. β =2,0x, NA=0,1, Pixelgröße 5,6µm DOF 8 F# y Pixel β 2 = 4 y Pixel β NA = 4 5,6µm 2 0,1 = 112µm 0,1mm Keine Einschränkung hinsichtlich Auflösung Keine Einschränkungen hinsichtlich Lichtmenge (Verschlusszeiten Messgeschwindigkeit) Schließen der Blende muss vermieden werden Fokusverstellung notwendig 10

11 INTEGRATION Wünsche erfüllen Kombination der fokusvariablen Linse mit telezentrischen Objektiven Fokussierung der Telezentrischen Optik zur elektronischen Änderung des Arbeitsabstands Blendenöffnung und damit Abbildungsleistung kann beibehalten werden Herausforderungen: Hohe Auflösung Geringer Einfluss auf Feldgröße möglichst großer Verstellbereich Telezentrie beibehalten Fokusvariable Linse kann nicht einfach vor / hinter das telezentrische Objektiv gesetzt werden 11

12 INTEGRATION Einbauposition Kombination der fokusvariablen Linse mit telezentrischen Objektiven Zwischen Objektiv und Sensor: - Extremer Feldeinfluss - Deutlicher Einfluss auf Abbildungsleistung bereits bei geringer Brechwertveränderung Vor dem Objektiv: - Apertur zu klein für telezentrische Abbildung - Telezentrie nicht erfüllt Integration im Objektiv: - Hinter der Blende wg. objektseitiger Telezentrie - Beidseitige Telezentrie nicht möglich - Deutlich verringerter Feldeinfluss - Geringster Einfluss der Brechwertveränderung auf die Abbildungsleistung 12

13 PROTOTYP Verifizierung der Designdaten anhand von Prototypen, Bsp. Correctal T/2.0 13

14 SERIE Ausbau der Prototypen zur Serie bis Abbildungsmaßstab 3,0x Fokus auf großen Verstellbereich Abbildunmax. max. max. freie gsmaßst Sensorgr Verzeichn NA TelezentrieWD WD WD Mag Art. Nr., Objektiv-bezeichnung Apertur ab öße ung @+3.0dpt S5VPJ0625 Correctal T30/ , (1") 0,8 0,030 0,01 97,4 179,1 196,5 0,973 1, S5VPJ0627 Correctal T30/ ,500 (1.25'') 0,45 0,040 0,01 106,2 152,4 172,3 1,458 1,527 S5VPJ0422 Correctal T30/ , ,6 0,040 0,01 100,9 100,5 109,8 1,948 2,03 S5VPJ0426 Correctal T30/ ,500 35,0 0,4 0,045 0,01 189,8 94,8 104,6 2,437 2,55 S5VPJ0420 Correctal T30/ ,000 35,0 0,2 0,060 <0,01 164,7 91,2 101,2 2,914 3,054 Arbeitsabstandsänderung: Hub von 10 mm bis 20 mm Änderung des Abbildungsmaßstabs: < +/- 3% linear 14

15 SERIE Zusätzliche Objektive mit Abbildungsmaßstab < 1.0x Fokus auf großes Objektfeld (FOV) max. Verzeichnung NA max. Telez.- fehler WD nominal Art. Nr. Objektivbezeichnung freie Abbildungs-maxmaßstab Apertur Sensorgröße S5VPJ1860 Correctal T150/ , (1") 0,35 0,008 0,01 300,0 79,7 434,1 0,13 0,135 S5VPJ5060 Correctal T80/ , (2/3") 0,7 0,01 0,02 309,0 215,3 366,6 0,187 0,195 S5VPJ1565 Correctal T120/ , (1") 0,5 0,01 0,01 284,0 193,6 338,7 0,189 0,196 S5VPJ6060 Correctal T85/ , (1") 0,5 0,015 0,01 180,0 137,4 205,8 0,282 0,294 S5VPJ1260 Correctal T60/ , (1") 0,45 0,015 0,02 190,0 155,1 211,2 0,303 0,316 S5VPJ3060 Correctal T60/ , (1/1.8") 0,4 0,015 0,03 165,0 133,1 184,4 0,335 0,349 S5VPJ2660 Correctal T50/ , (2/3") 0,65 0,015 0,01 158,0 133,4 172,8 0,365 0,381 S5VPJ2060 Correctal T/ , (1/2") 0,3 0,022 0,05 117,0 102,8 125,5 0,488 0,508 S5VPJ2898 Correctal T60/ , (1") 0,5 0,03 0,01 92,0 81,8 98,2 0,564 0,588 S5VPJ1560 Correctal T/ , (1/2") 0,36 0,03 0,01 87,0 79,2 91,6 0,643 0,671 Arbeitsabstandsänderung: Hub von 12 mm bis 350 mm Änderung des Abbildungsmaßstabs: < +/- 3% linear 15

16 EINFLUSS AUF OBJEKTIVPARAMETER Abbildungsleistung (MTF-Plot), Bsp. S5VPJ ,0 dpt MTF nominal +3,0 dpt 16

17 EINFLUSS AUF OBJEKTIVPARAMETER Aufgrund der Beeinflussung der Brennweite des Objektivs ändern sich neben dem Arbeitsabstand auch Abbildungsmaßstab und Verzeichnung, Bsp. S5VPJ6060 Aufgrund des nahezu linearen Verhaltens (R² 1) über Kalibriermessungen eliminierbar 17

18 EINFLUSS AUF OBJEKTIVPARAMETER Aufgrund der Beeinflussung der Brennweite des Objektivs ändern sich neben dem Arbeitsabstand auch Abbildungsmaßstab und Verzeichnung, Bsp. S5VPJ6060 Aufgrund des nahezu linearen Verhaltens (R² 1) über Kalibriermessungen eliminierbar Objektseitige Telezentrie bleibt aufgrund Objektivdesign konstant (optische Weglänge zur Blende wird durch Flüssiglinse nicht beeinflusst). 18

19 ANWENDUNGSBEREICH Erweiterter Arbeitsbereich bei telezentrischen Objektiven nominal +3.0 dpt dpt. 180 mm 140 mm 210 mm Bsp. S5VPJ6060 Ohne fokusvariable Linse kann der Arbeitsabstand nur um ca. 4 mm variiert werden (Schärfentiefe bei Pixelgröße 3,45 µm) Mit fokusvariabler Linse kann der Arbeitsbereich um ca. 70 mm variiert werden (+ DOF 4 mm) Telezentrische Messung von großen Bauteilen in einem Aufbau möglich 19

20 ANWENDUNGSBEREICH Messung an Ebenen unterschiedlicher Höhe bei einem Bauteil 3D Messung Zusammensetzung von verschiedenen Ebenen durch Serienbilder ( stack of pictures ) Bildquelle: SANXO-Systems Ltd. 20

21 ANWENDUNGSBEREICH Messung an Ebenen unterschiedlicher Höhe bei einem Bauteil 3D Messung Zusammensetzung von verschiedenen Ebenen durch Serienbilder ( stack of pictures ) Bildquelle: SANXO-Systems Ltd. Vorteile der Telezentrischen Optik Steilere, klarere Kanten Keine Bildgrößenabweichung aufgrund perspektivischer Verzerrung Arbeitsabstand, Vergrößerungs- und Verzeichnungsunterschiede sind linear kalibrierbar einfache Implementierung 21

22 ANWENDUNGSBEREICH Messung an Ebenen unterschiedlicher Höhe bei einem Bauteil 3D Messung Detektion der Objektentfernung über den Fokusversatz Rückrechnung von Fokusposition auf Objektentfernung Bestimmung der z-position Fokusebene Messung x,y,z in einer Betrachtungsrichtung Schärfentiefe bestimmt die axiale Auflösung Hub der Arbeitsabstandsänderung bestimmt die Bauteiltiefe Bsp. S5VPJ0422: DOF ca. 0,3 mm, ca. 10mm Arbeitsabstandsänderung möglich 22

23 ANWENDUNGSBEREICH Bildverarbeitung: Geschwindigkeit Einstellzeit 25 ms Kontinuierliche Verstellung ( Rampe ) mit schnelleren Geschwindigkeiten Auslieferung ohne Controller Controller: Optotune USB Lens Driver 4i Gardasoft Lens Controller TR-CL180 Kundenspezifische Treiber über Optotune Software für 3D Stacking Z.B. Helicon Focus, CombineZP, Zerene, Picolay Bildquelle: Optotune Switzerland AG Bildquelle: Gardasoft Vision Ltd. 23

24 VIELEN DANK Fokusvariable Telezentrische Objektive für 3D-Messungen? Sie erreichen uns unter: silloptics.de +49 (0) 9129/ Halle 5, Stand 5426 Optotune Switzerland optotune.com Halle 6, Stand 6532 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 24