Telezentriefehler und seine Auswirkungen auf die Messgenauigkeit Vision 2008 Simone Weber
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
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
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: www.vision-academy.org 8
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: www.vision-academy.org fremdlichtunabhängigeres, exaktes Schattenbild 10
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 11 3. 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
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: www.sinepattern.com 13 3. 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
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 T201/0,42 15 4. 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
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 26,9 1000 c 2, 8 Δ t 17 4. Quantifizierung der Messgenauigkeit Kalibrierunsicherheit durch Perspektivitätsfehler Δ c P z β ' f ' 1 β ' Kalibrierunsicherheit durch Telezentriefehler Δ c t z 2ϕ l 18
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 1 2 3 TZO TZB Telezentriebereich bei δy`<1 Bildpunkt 19 5. 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 1710,0 203 206 209 212 215 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
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 1710,0 203 206 209 212 215 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 21 6. Fazit Telezentriefehler: 2ϕ in mrad Telezentrischer Strahlengang erhöht Messgenauigkeit geringe Kalibrierunsicherheiten abstandsunabhängig perspektivfrei Telezentrische Messobjektive 22
6. Fazit Vision & Control bietet für jede Messaufgabe ein geeignetes Objektiv Die Produktpalette von Vision & Control: 23 6. Fazit 24
Besuchen Sie auf unserem Messestand Halle 4, Stand D63 25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Vision 2008 Simone Weber