ABV2 R. Neubecker, WS 2015 / 2016

Telezentrische (und andere) Objektive ABV2 R. Neubecker, WS 2015 / 2016

2 Objektseitige Telezentrie Beidseitige Telezentrie Anwendungen und Eigenschaften Telezentrische Beleuchtung Pupillen und Projektionszentren Hyperzentrische Objektive Exotische Objektive

Problemstellung 3 Anwendungsbeispiel BV-basiertes Vermessen der Durchmesser von Drehteile, auf Leuchttisch, Kamera darüber?

Sensor Abbildung 4 Normale (entozentrische) Abbildung G B s f f s

Abbildung 5 Normale (entozentrische) Abbildung Unterschiedliche Objekte in unterschiedlichen Abständen können gleich groß (wenn auch nicht gleich scharf) abgebildet werden

Abbildung 6 Normale (entozentrische) Abbildung Gleich große Objekte in unterschiedlichen Abständen werden unterschiedlich groß (und nicht gleich scharf) abgebildet Abbildungsmaßstab abhängig von Objektweite Großes Problem für Messaufgaben

Objektseitige Telezentrie 7 Telezentrische Abbildung Abbildungsmaßstab unabhängig von Objektweite? Beschränkung auf den achsenparallelen Strahl!

Objektseitige Telezentrie 8 Telezentrische Abbildung Abbildungsmaßstab unabhängig von Objektweite? Beschränkung auf den achsenparallelen Strahl! f

Objektseitige Telezentrie 10 Telezentrische Abbildung Abbildungsmaßstab unabhängig von Objektweite? Beschränkung auf den achsenparallelen Strahl! In der Praxis endliche Blendenöffnung Nutzung eines schmalen Strahlenbündels

Objektseitige Telezentrie 11 Telezentrische Abbildung Abbildungsmaßstab unabhängig von Objektweite? Beschränkung auf den achsenparallelen Strahl! In der Praxis endliche Blendenöffnung Nutzung eines schmalen Strahlenbündels Zweites, gleich großes Objekt wird zwar unscharf abgebildet, aber jetzt liegt Unschärfekreis auf gleicher Höhe wie scharfes Bild des 1 Objektes Bildgröße unabhängig von Objektweite = Telezentrisches System

Objektseitige Telezentrie 12 Telezentrische Abbildung Abbildungsmaßstab β = s f f hängt über s noch von Sensorposition ab (oder Sensorausrichtung) G B f s Objektseitiger Schärfentiefenbereich t = d β sin α = d β 2 sin α = Bereich der Objektweite, innerhalb derer der Unschärfekreis kleiner als d bleibt, sin α : objektseitige-, sin α : bildseitige Numerische Apertur

Telezentriebeispiele 13 Bildquelle: Bruce G. Batchelor (ed.), Machine Vision Handbook, Springer-Verlag 2012

Telezentriebeispiele 14 Bildquellen: Opto GmbH (http://www.opto.de/cms/index.php?article_id=112&clang=1, 22.9.2015) und K.Hentschel, M.Müller, Quality Engineering 1999

Telezentriebeispiele 15 Bildquelle: http://www.vision-doctor.de/telezentrische-objektive.html (23.9.2015)

Beidseitige Telezentrie 17 Bi-telezentrisches System Genauer hingeschaut Vom Objekt ausgehende Strahlen sind zwar (ungefähr) achsenparallel (= "objektseitig telezentrisch"), aber Strahlen treffen schräg auf den Sensor

Beidseitige Telezentrie 18 Bi-telezentrisches System Genauer hingeschaut Vom Objekt ausgehende Strahlen sind zwar (ungefähr) achsenparallel (= "objektseitig telezentrisch"), aber Strahlen treffen schräg auf den Sensor Unschärfekreis ist nicht genau symmetrisch Schwerpunkt des Unschärfekreises hängt von seinem Durchmesser ab Abhängigkeit vom Bündeldurchmesser Abh. von Gegenstandsweite Abhilfe Strahlen parallel auf Sensor treffen lassen = zusätzliche Linse einfügen Bildquelle: Bruce G. Batchelor (ed.), Machine Vision Handbook, Springer-Verlag 2012

Beidseitige Telezentrie 19 Bi-telezentrisches System Strahlen sind jetzt auf Objekt- und auf Bildseite achsenparallel "Beidseitig-" oder "Bi-telezentrisch" = Objekt- und bildseitig telezentrisch keine Verlagerung des Schwerpunkts des Unschärfekreises mehr Unempfindlich gegen Sensorposition f 1 f 2 Abbildungsmaßstab β = f 2 /f 1 Objektseitiger Schärfentiefenbereich wie zuvor t = d /(β sin α) (Gesamtsystem beider Linsen hat Brennweite f = : "afokales" System)

Anwendungen 21 Praxisanwendung: Vermessung Metrologie (Messungen) kein Perspektivfehler Bildquelle: http://www.vision-doctor.de/telezentrische-objektive.html (23.9.2015)

Anwendungen 22 Praxisanwendung: Lochinspektion Konstante Perspektive Inspektion von Röhren, Löchern, Gittern u.ä. Lochachse muss nicht auf optischer Achse liegen, perspektivischer Lochdurchmesser nimmt nicht nach hinten ab Bildquelle: Bruce G. Batchelor (ed.), Machine Vision Handbook, Springer-Verlag 2012

Anwendungen 23 Praxisanwendung: Defektinspektion Gute Detektion von Oberflächendefekten auf spiegelnden / transparenten Objekten (im Hellfeld): kleine Defekte (Kratzer, Marken, ) streuen Licht Wenn Objektiv viele (Streu-) Winkel akzeptiert, bleibt Defekt im Bild unsichtbar In telezentrischer Abbildung werden alle Strahlwinkel außer der achsenparallelen verworfen, d.h. Defekte erscheinen dunkel Bildquelle: Bruce G. Batchelor (ed.), Machine Vision Handbook, Springer-Verlag 2012

Anwendungen 24 Telezentrische Objektive am Markt Wenige Hersteller. Nicht kostengünstig. Bildquellen: Navitar (www.navitar.com, 20.10.15), Sill Optics GmbH (www.sill-optics.de, 20.10.15), Opto- Engineering (www.opto-telecentric.com, 20.10.15)

Eigenschaften 25 Eigenschaften telezentrischer Objektive Konstanter Abbildungsmaßstab Lichtschwach Durchmesser der ersten Linse Objektgröße (+ Bündeldurchmesser) groß, schwer und teuer! Ausgelegt für festen Arbeitsabstand ( = Mitte des Schärfentiefenbereichs und des Telezentriebereichs) Auch telezentrische Objektive haben begrenzte Schärfentiefe, zeigen Verzeichnungen und haben begrenztes Bildfeld ( Sensorgröße!) Alternativen zu großen Linsen Erste Linse als Fresnellinse ausführen Spiegel-Objektiv (katadioptrisches System) Zeilenkameras / Linienscanner benötigen vollen Durchmesser nur in 1D

Eigenschaften 26 Nobody's perfect: Telezentriefehler Ursache: Aberrationen, Blendenabbildungen werden nicht immer einheitlich angegeben Gutes Maß: Winkel φ des Hauptstrahls bezgl. optischer Achse (soll: φ = 0) Vorsicht, Winkel φ wirkt auf beiden Seiten der optischen Achse (max. mit Faktor 2 berücksichtigen) Typische Größenordnung: einige mrad Telezentriefehler kann sich mit Objektgröße G ändern Alternative Angabe "Telezentriebereich" = objektseitiger Bereich, innerhalb dessen sich die Bildgröße nicht um mehr als vorgegebenen Grenzwert ändert (typ. 1µm oder 3µm). Hersteller-Definitionen beachten. Telezentriebereich Schärfentiefebereich! Bildquellen: N.Schuster et al., Photonik 1/2005 und N.Schuster et al., Optik & Photonik, Okt. 2008 Nr. 3

Eigenschaften 27 Nobody's pefect: Telezentriefehler Abschätzung Vorgaben: Telezentriefehler φ = 2 mrad Abbildungsmaßstab β = 1: 5 = 0,2 Tolerierbare Bildgrößenänderung Telezentriebereich=?

Eigenschaften 28 Nobody's pefect: Telezentriefehler Abschätzung Vorgaben: Telezentriefehler φ = 2 mrad Abbildungsmaßstab β = 1: 5 = 0,2 Tolerierbare Bildgrößenänderung: Subpixelgenauigkeit 1/5, 5µm-Pixel, ΔB=1µm Telezentriebereich Δs= ΔG φ Δs 2 ΔG Δs/2 = tan φ = ΔB/β Δs/2 Δs 2 = ΔB β tan φ ΔB β φ Δs = ±2,5mm

Telezentrische Beleuchtung 30 "Telezentrische" Beleuchtung In einigen Anwendungsfällen trotzdem noch Probleme Insbesondere bei Vermessung im Durchlicht-Hellfeld, d.h. Prüfling vor hellem Hintergrund: Reflexe an Prüflingsoberfläche achsenparallele Strahlen stammen nicht nur aus der Lichtquelle kein klarer Hell-Dunkelübergang an Objektkante Besser keine diffuse Lichtquelle verwenden (= LQ mit breitem Winkelspektrum) kollimierte Beleuchtung = "Telezentrische Beleuchtung" Hilft notfalls auch: Diffuse Lichtquelle in größerem Abstand und/oder Maskierung der LQ (gerade etwas größer als Prüfling) Bildquelle: Bruce G. Batchelor (ed.), Machine Vision Handbook, Springer-Verlag 2012

Telezentrische Beleuchtung 31 Grauwertverlauf statt klarer s/w-kante Subpixelverfahren?! Bildquelle: B. G. Batchelor (ed.), Machine Vision Handbook, Springer- Verlag 2012

Pupillen und Projektionszentren 34 Alternative Sichtweise: Pupillen und Projektionszentren Zurück zum Lochkameramodell Die Apertur (= das Loch) ist das Projektionszentrum Hauptstrahl definiert Bildgröße, der zugehörige Objektgröße nimmt mit Objektabstand zu, bzw. die Bildgröße gleichgroßer Objekt nimmt mit dem Abstand ab

Pupillen und Projektionszentren 36 Alternative Sichtweise: Pupillen und Projektionszentren Linse statt Loch Entozentrisches Objektiv Die Apertur (= Eintrittspupille) bleibt das Projektionszentrum Die Apertur ist zwar größer geworden die Linse ändert aber nichts am Projektionszentrum, sondern definiert nur die scharfe Bildebene

Pupillen und Projektionszentren 37 Alternative Sichtweise: Pupillen und Projektionszentren Telezentrisches Objektiv Die Apertur liegt in der hinteren Brennebene f Apertur liegt hinter Linse, Objekt sieht nur die abgebildete Apertur = Eintrittspupille Eintrittspupille liegt im - Eintrittspupille = Projektionszentrum Bildgröße hängt nicht vom Abstand ab

Pupillen und Projektionszentren 38 Alternative Sichtweise: Pupillen und Projektionszentren Hyperzentrisches / Perizentrisches Objektiv Die Apertur wird hinter die hintere Brennebene verschoben EP f Das Bild der Apertur (= die Eintrittspupille) liegt im Endlichen "hinter" den Objekten Eintrittspupille = Projektionszentrum weiter entfernte Objekte werden größer abgebildet als nahe

Hyperzentrische Objektive 40 "Objects in the rear mirror are closer than they appear" Bildquelle: www.thinknonsense.com (12.9.2009), Light Works, LLC (l4u.com, 20.10.15)

Hyperzentrische Objektive 41 hypercentric image farther "Objects in the rear mirror are closer than they appear" Bildquelle: www.thinknonsense.com (12.9.2009), Light Works, LLC (l4u.com, 20.10.15)

Hyperzentrische Objektive 42 Anwendungen in der Inspektionstechnik Vorderer Objektivdurchmesser Objekt-Durchmesser Bildquelle: Light Works, LLC (www.l4u.com, 20.10.15), Opto-Engineering (www.opto-telecentric.com, 20.10.15)

Hyperzentrische Objektive 43 Anwendungen in der Inspektionstechnik Bildquelle: Light Works, LLC (www.l4u.com, 20.10.15), Opto-Engineering (www.opto-telecentric.com, 20.10.15)

Exotische Objektive 45 Multi-/Polyview: Aufteilung in mehrere Teilbilder aus unterschiedlichen Perspektiven Bildquelle: Opto-Engineering (www.opto-telecentric.com, 20.10.15)

Exotische Objektive 46 Katadioptrisches Objektiv zur Loch-/Hohlrauminspektion Bildquelle: Opto-Engineering (www.opto-telecentric.com, 20.10.15)

Exotische Objektive 47 Katadioptrisches Kombi-Objektiv: Die Objektseiten werden durch das katadioptrische System abgebildet, während die Oberseite direkt in der Mitte des Detektors abgebildet wird Bildquelle: Opto-Engineering (www.opto-telecentric.com, 20.10.15)

Literatur 48 Weiterführende Literatur K. Lenhardt, "Optical Systems in Machine Vision" Kapitel 4 in A. Hornberg (Hrsg.), "Handbook of Machine Vision", Wiley-VCH, Weinheim (2008) Spencer D. Luster, Bruce G. Batchelor, "Telecentric, Fresnel and Micro Lenses" Kapitel 6 in Bruce G. Batchelor (ed.), Machine Vision Handbook, Springer-Verlag, London (2012)