Telezentriefehler und seine Auswirkungen auf die Messgenauigkeit. Vision Simone Weber

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1 Telezentriefehler und seine Auswirkungen auf die Messgenauigkeit Vision 2008 Simone Weber

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Eigenschaften der telezentrischen Abbildung 3. Telezentriefehler 2ϕ 4. Quantifizierung der Messgenauigkeit 5. Telezentriebereich 2t 6. Fazit 3 1. Einleitung Industrielle Bildverarbeitung Kombination telezentrischer Objektive mit CCD/ CMOS - Bildaufnehmer - neue Möglichkeiten in der 2D und 3D Messtechnik Anwendungsaufgaben Vermessung Formkontrolle Anwesenheitskontrolle Qualitätssicherung 100%-Kontrolle ohne subjektiven Faktor Glühwendelinspektion mit 3 telezentrischen Objektiven 4

3 2. Eigenschaften der telezentrischen Abbildung 3 Arten der Perspektive Aufnahme eines Profils 25x25x24 mm³ mit verschieden Perspektiven Telezentrie: Keine perspektivische Verzerrung Mess- und Beobachtungsaufgaben lösbar besonders in gefragten industriellen Applikationen 5 2. Eigenschaften der telezentrischen Abbildung Entozentrische Objektive (EZO): Hauptstrahlen gerade Objektwinkel differenzieren Bildgröße unterschiedlich entfernungsabhängig perspektivische Verzerrung Strahlengang: Entozentrische Abbildung mit Perspektivitätsfehler 6

4 2. Eigenschaften der telezentrischen Abbildung Telezentrische Objektive (TZO): Systemblende in F der Frontgruppe paralleler Strahlenverlauf objektseitig Objektwinkel gleich Bildgröße gleich Entfernungsunabhängig Frontgruppe > Objekt Strahlengang: Telezentrische Abbildung ohne Perspektivitätsfehler 7 2. Eigenschaften der telezentrischen Abbildung Vergleich Telezentrie - Entozentrie Quelle: 8

5 2. Eigenschaften der telezentrischen Abbildung Vorteile Telezentrie: perspektivfrei abstandsunabhängig Abbildungsmaßstab konstant Objekt im Schärfentiefebereich scharfe Abbildung Vermeidung eines hochgenauen Positionieren des Prüflings keine Abstands-, Form-, Lage- und Größenänderungen vermeidet Fehler beim Messen! 9 2. Eigenschaften der telezentrischen Abbildung Vorteile Telezentrie: nur in Kombination telezentrische Beleuchtung und Objektiv höchste Genauigkeiten erreichbar im Subpixelbereich TZO+TZB zwingend! Telezentrisches Objektiv mit diffuser Beleuchtung Telezentrisches Objektiv mit telezentrischer Beleuchtung Quelle: fremdlichtunabhängigeres, exaktes Schattenbild 10

6 3. Telezentriefehler 2ϕ Definition: Ursache: Aberrationen, Blendenabbildungen Winkelabweichung der Parallelität von der optischen Achse Einheit: mrad Größenänderung in µm, um die die Objektgröße anscheinend variiert, wenn sich der Arbeitsabstand um 1mm ändert Faktor 2 Strahlabweichung von der optischen Achse aus in beide Richtung erfolgen Telezentriefehler 2ϕ in mrad Telezentriefehler 2ϕ Definition: 2ϕ 0 Idealfall absolute Parallelität 2ϕ < 0 entozentrisch 2ϕ > 0 hyperzentrisch Definition des Telezentriefehlers mit Strahlneigungen 2ϕ der Hauptstrahlen; 1 OE mit Schärfentiefenbereich b, 2a Frontgruppe TZO, 2b Blendengruppe TZO, 3 BA 12

7 3. Telezentriefehler 2ϕ Messung des Telezentriefehlers: Testmire, Strukturbreite 2y Objekt mittig im Bildfeld positionieren Diffuse Beleuchtung Bildgröße in verschiedenen Arbeitsabständen d vermessen Prüfprogramm vcwin : Antastalgorithmus Forderung: Subpixelgenauigkeit Kanten der Struktur Pixelzeilen Quelle: Telezentriefehler 2ϕ Messung des Telezentriefehlers: Messung mit Subpixelgenauigkeit 1/10 Objektgröße variiert um 3/10Pixel Maß für 2ϕ dient Ausgleichsgerade Anstieg m ist linear mit 2ϕ verknüpft m p' 2ϕ β ' Gemessene Objektgröße in Pixeln bei Änderung des AA innerhalb der Schärfentiefe mit Ausgleichsgerade bei Objekthöhe 30 mm 14

8 3. Telezentriefehler 2ϕ Objektgröße h 0 mm Telezentriefehler jedoch ist Anstieg m 0 Abbildungsfehler 2ϕ ändert sich mit der Objekthöhe zweiter Nulldurchgang Angabe für Nutzer: Mittelwert 25,00 20,00 2 ϕ 0 mrad Telezentriefehler T201/0,42 2 ϕ 0,28 mrad 2y in mm 15,00 10,00 5,00 0,00-1,000-0,500 0,000 0,500 1,000 1,500 2ϕ in mrad Berechneter und gemessener Telezentriefehler in Abhängigkeit von der Objektgröße für das 1,2 -Objektiv vicotar T201/0, Quantifizierung der Messgenauigkeit Kalibrierunsicherheit: Entozentrische Objektive durch Perspektivitätsfehler Δ c P z a z β ' f ' 1 β ' Telezentrische Objektive durch Telezentriefehler Δ c t z 2ϕ l Δ c t z 2ϕ l 16

9 4. Quantifizierung der Messgenauigkeit Rechenbeispiel: geg: EZO z 10 mm; l 10 mm; f ' 12 mm; β ' 1/ 30 Δ c P z β ' f ' 1 β ' TZO 2 ϕ 0,28 mrad z Δc t 2ϕ l 1000 Δc P 26, c 2, 8 Δ t Quantifizierung der Messgenauigkeit Kalibrierunsicherheit durch Perspektivitätsfehler Δ c P z β ' f ' 1 β ' Kalibrierunsicherheit durch Telezentriefehler Δ c t z 2ϕ l 18

10 5. Telezentriebereich 2t Definition: Symmetrischer Bereich um den Arbeitsabstand Bei Objektverschiebung ändert sich Bildgröße < X Ursache:- Abbildungsfehler - Fertigungs- und Montagetoleranzen Folge: nicht vollständig paralleler Hauptstrahlengang Schärfenebene Arbeitsabstand TZO TZB Telezentriebereich bei δy`<1 Bildpunkt Telezentriebereich 2t Schärfentiefe eng mit Telezentriebereich verbunden Symmetrisch dazu 2b Schärfentiefenbereich von 3,0 mm Siemensstern innerhalb 2b kaum sichtbare Unterschiede Trendlinie der Kurve mit leicht positiven Anstieg Bildgröße 2 y ' in Pixeln 1713,0 1712,5 1712,0 1711,5 1711,0 1710,5 m 0,0096 2b 1710, Objektabstand in mm Messergebnisse zu 2ϕ für die Objektgröße 2y 30,98 mm für das 1,2 -Objektiv vicotar T201/0,42 und Siemenssternaufnahmen in 5 Objektabständen 20

11 5. Telezentriebereich 2t beide Positionen über 3x weiter auseinander als Schärfentiefe 2b trotz Kontrastumkehrung Subpixelantastung möglich Telezentriebereich der sicheren Antastung 2t b M 2b Bildgröße 2 y ' in Pixeln 1713,0 1712,5 1712,0 1711,5 1711,0 1710,5 m 0,0096 2b 1710, Objektabstand in mm Messergebnisse zu 2ϕ für die Objektgröße 2y 30,98 mm für das 1,2 -Objektiv vicotar T201/0,42 und Siemenssternaufnahmen in 5 Objektabständen Fazit Telezentriefehler: 2ϕ in mrad Telezentrischer Strahlengang erhöht Messgenauigkeit geringe Kalibrierunsicherheiten abstandsunabhängig perspektivfrei Telezentrische Messobjektive 22

12 6. Fazit Vision & Control bietet für jede Messaufgabe ein geeignetes Objektiv Die Produktpalette von Vision & Control: Fazit 24

13 Besuchen Sie auf unserem Messestand Halle 4, Stand D63 25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Vision 2008 Simone Weber