Fuji HF-5M series 2017

(Bild: Fujifilm)

MTF

Auswirkung der Modulationstransfer-Funktion einer Optik auf das auf den Sensor projizierte Bild. Stemmer Imaging

Die Wahl des richtigen Objektivs hängt direkt vom Sensor der verwendeten Kamera ab. Dabei sind bei der Optikauswahl vor allem die Parameter Chipgröße und Pixelgröße wichtig, denn das Objektiv muss in der Lage sein, die komplette Sensorfläche auszuleuchten, um Vignettierungen (Abschattungen) im Bild zu vermeiden. Zudem muss das Objektiv die Pixelgröße auflösen können. Prinzipiell gilt: Je besser die optische Auflösung des Objektivs, desto feinere Strukturen überträgt es.

Ein Maß für die optische Qualität ist die sogenannte Modulationstransfer-Funktion (MTF). Sie beschreibt mathematisch den Vergleich zwischen dem Detail­kontrast an den Kanten eines Objektes und dem Detailkontrast von dessen bildlicher Darstellung. Um ein Detail am Objekt auflösen zu können und eine eindeutige Kantenerkennung zu gewährleisten, sollte dieses Detail auf ca. vier Pixel abgebildet werden. Somit hängt der benötigte Abbildungsmaßstab direkt von der gewünschten Objektauflösung beziehungsweise der Pixelgröße ab. Eine perfekte Linse würde ein Bild erzeugen, das dem Objekt inklusive aller Details und Helligkeitsschwankungen exakt entspricht. Jedoch ist dies in der Praxis nicht möglich, da eine Linse wie ein Tiefpassfilter wirkt. Dabei klassifiziert die MTF die Abschwächung einer gegebenen Frequenz oder eines Details. Zudem gibt es bei jeder Linse einen Punkt, an dem der Kontrast den Wert Null erreicht. Diese Grenze heißt Auflösungsgrenze und hat die Einheit Linienpaare pro Millimeter (lp/mm).
Das Spektrum an Sensorformaten und Auflösungen von Bildverarbeitungs­kameras ist enorm, und zusammen mit der Fülle an Anwendungsmöglichkeiten, ergibt sich eine große Auswahl an Standard- und Spezialobjektiven.

Die gebräuchlichsten Objektivarten

In den meisten Applikationen kommen Fixfokusobjektive mit fixem Mindest­arbeitsabstand (MOD) zum Einsatz, da dieser Parameter meist unveränderlich bleibt. Diese Objektive werden für einen definierten Aufbau ausgewählt und liefern dafür das beste Ergebnis. Alternativ gibt es Festbrennweiten-Objektive mit Fokussiereinheit, bei denen sich der MOD geringfügig variieren lässt. Aufgrund der festen Brennweite verfügen diese Objektive über einen statischen Vergrößerungsbereich. Darüber hinaus stehen weitere Arten an gebräuchlichen Objektiven zur Verfügung:
Universalobjektive mit festen Standardbrennweiten von 4,5 bis 100 mm sind der häufigste Typ von Objektiven für Sensoren mit einer Auflösung von unter einem Megapixel. Diese Objektive wurden für eine unendliche Fokussierung optimiert und weisen je nach Hersteller eine MTF von 70 bis 90 lp/mm mit geringer Verzeichnung und Vignettierung auf. Objektive mit kürzeren Brennweiten erzeugen Bilder mit Fischaugeneffekt.
Präzisionsobjektive, die hochauflösenden Versionen der Standardobjektive, bieten verglichen mit diesen bessere Abbildungsleistungen. Normalerweise sind Präzisionsobjektive für Brennweiten bis 75 mm mit einer MTF über 120 lp/mm und geringer Verzeichnung (<0,1 %) verfügbar. Sie eignen sich besonders für Kameras mit kleinen Pixeln und für präzise Messtechnikaufgaben.

Makro- und telezentrische ­Objektive

Glossar

Detailkontrast: Beschreibt das Verhältnis zwischen Lichtern und Schatten.
unendliche Fokussierung:  Ein Objektiv ist auf unendlich fokussiert, wenn der ­Abstand von der Hauptebene zur Sensor­ebene der Brennweite des Objektives ­entspricht.
Verzeichnung: Ein geometrischer Abbildungsfehler optischer Systeme, der zu einer lokalen Veränderung des Abbildungsmaßstabes führt. Beispiel: kissenförmig
freie Apertur/Objektivdurchmessser: Die freie Öffnung eines Objektivs oder ­deren Durchmesser, durch welche die Lichtstrahlen ausgesendet oder empfangen werden.

Makroobjektive sind speziell für kleine Objektfelder in der Größe des Kamerasensors konzipiert. Sie werden hinsichtlich ihrer Vergrößerung in Relation zum Kamerasensor eingestuft. Makroobjektive fokussieren besonders gut bei Nahaufnahmen. Obwohl sie über gute MTF-Eigenschaften und eine vernachlässigbare Verzeichnung verfügen, sind sie weniger flexibel, da Anwender die Vergrößerung oder den Arbeitsabstand nicht ändern können.
Großformatige Objektive kommen zum Einsatz, wenn die Maße eines Kamerasensors die Abmessungen überschreiten, die C-Mount-Objektive erfassen können. Häufig sind großformatige Objektive modular und bestehen aus einer Kombination aus Adaptern, Schneckengängen oder Zwischenringen. Typische Einsatzgebiete sind Zeilenkamera-Anwendungen.
Telezentrische Objektive eignen sich speziell für Messanwendungen, da sich mit ihnen geometrische Verzerrungen und Maßabweichungen bei den Aufnahmen vermeiden lassen. Diese Objektive bilden nur achsparallele Lichtstrahlenbündel ab. Dies führt zu einer gleichmäßigen, vom Objektabstand unabhängigen Vergrößerung ohne perspektivische Verzerrung. Wegen des parallelen Strahlengangs muss die freie Apertur der Frontlinse des telezentrischen Objektivs mindestens den gleichen Durchmesser haben wie das Objektfeld. Dadurch sind Objektive für große Objektfelder entsprechend dimensioniert und damit verhältnismäßig teuer.

Mit elektrisch ansteuerbare Flüssiglinsen geht es auf Seite 2 weiter.

Spezialisten für besondere Einsätze

Die gebräuchlichsten Objektivarten decken bereits ein breites Anwendungsspektrum ab. Allerdings gibt es Applikationen, bei der die Standardlösung nicht mehr ausreicht. Hier kommen die Spezialisten unter den Objektiven zum Einsatz:

Tunable lens working principle-de

Die elektrisch ansteuerbaren Polymer-Flüssiglinsen wurden speziell für den Einsatz in industriellen Bildverarbeitungs-Anwendungen entwickelt, in denen Änderungen des Fokusbereichs im Millisekundenbereich erforderlich sind. Optotune

Elektrisch ansteuerbare Flüssiglinsen beispielsweise, bestehen aus einer dünnen, elastischen Polymer-Membran, in der sich eine Flüssigkeit befindet. Die formverändernden Linsen eignen sich vor allem für Anwendungen, in denen eine sehr schnelle Fokusanpassung erforderlich ist, beispielsweise bei der Inspektion von Kartons unterschiedlicher Größe auf Förderbändern. Mittels eines strom­gesteuerten Aktuators, der von außen die Flüssigkeit ins Linseninnere presst und damit ihre Krümmung verändert, lassen sich Antwortzeiten im Millisekunden­bereich erreichen. Dieses Prinzip ermöglicht die Umsetzung schneller und kompakter optischer Systeme ohne komplexe Mechanik. Die mittlere Betriebsdauer (MTBF) liegt bei etwa einer Milliarde Bewegungen, da nur wenige bewegliche Teile im Einsatz sind. Weitere Anwendungsgebiete sind die 3D-Mikroskopie oder Überwachungsaufgaben.
Für Aufnahmen von komplexen Objektformen braucht es mehr als eine Kamera: 360˚-Objektive nutzen eine optische Konstruktion von Linsen und Spiegeln, die mit möglichst wenigen Kameras alle Seiten eines Objekts aufnimmt. Diese Objektive eignen sich für die Inspektion von Oberseiten und Außenflächen von Gegenständen oder für Loch- und Hohlrauminspektionen. Zudem lassen sich Seitenansichten eines Objekts zu einem Kamerabild zusammen­setzen. Diese Technologie wird beispiels­weise in der Getränkeindustrie eingesetzt sowie im Pharmabereich.

Für kleine…

Opto Engineering-pericentric imaging

Bildverarbeitung von zylindrischen Objekten mit perizentrischen Objektiven Opto Engineering

Für kleine Gegenstände bis 7,5 mm Durchmesser gibt es katadioptrische Optiken. Deren Linsenkonstruktion ermöglicht die Inspektion der Objekt­seiten über einen weiten Betrachtungswinkel und kann damit komplexe Objektgeometrien mit einer Aufnahme schnell und einfach analysieren.
Zylindrische Objekte wie Flaschen, ­Gläser, Batterien oder Bolzen lassen sich mit perizentrischen Objektiven aufnehmen. Aufgrund des spezifischen Strahlengangs wird das Licht von dem Teil des Objekts, das der Linse am nächsten liegt, in die Mitte des Kamerasensors übertragen. Wohingegen die kurze Seite des Kamerasensors das Licht der weiter entfernt liegenden Teile abbildet. Somit ermöglichen perizentrische Objektive eine gleichzeitige Drauf- und Seitenansicht eines Gegenstands. Eine typische Anwendung in der Getränke- und Pharmaindustrie ist die Inspektion von Flaschenverschlussgewinden und das Lesen von Data-Matrix-Codes, wobei das Objektiv den Code – unabhängig von seiner Ausrichtung – korrekt abbildet.
Für die Objektive gilt: Je kleiner der Objektdurchmesser, desto größer die Objekthöhe, die Anwender inspizieren können.

…und große Objekte

Objektive zur Hohlrauminspektion liefern eine hochauflösende Ansicht von Bau­teilen mit Löchern und Hohlräumen. Diese Objektive sind speziell dafür ausgelegt, sowohl den Boden eines Hohlraums als auch dessen senkrechte Wände abzubilden. Durch den großen Blickwinkel (>82°) eignen sie sich für eine große Bandbreite an Objektdurchmessern und -dicken und somit für die Prüfung verschiedener ­Formen wie Zylinder, Kegel, Flaschen oder Prüfobjekte mit Gewinde.

Opto Engineering-Polyview imaging

Polyview-Objektive für Rundumansichten mit einer einzigen Aufnahme Opto Engineering

Eine weitere optische Konfiguration bieten die Poly-View-Objektive, die gleichzeitig acht verschiedene Ansichten von den Außen- und der Oberseite eines Prüfobjektes aufnehmen. Ein Bildwinkel von 45° ermöglicht Tests der Objektseiten mit nur einer Kamera – beispielsweise bei Schrauben- oder Muttergewinden. Anwender können zudem die Innenseiten von Hohlkörpern von außen inspizieren. Die Abbildung der Innenwände und des Bodens eines Hohlraums ist genauso möglich wie eine kombinierte Ansicht der Innen- und Außenseiten des Objekts.

Für jede Applikation die passende Optik

Es gibt eine Vielzahl von optischen Konfigurationen, die sich für den Einsatz in Bildverarbeitungssystemen zur Lösung von Inspektionsaufgaben eignen. Dabei müssen auch Aspekte wie Blendensteuerung, Objektivanschlüsse und die Verwendung von Filtern bedacht werden.
Die Auswahl der passenden Optik sowie aller anderen notwendigen Bildverarbeitungskomponenten erfordert umfangreiches technologisches Know-how sowohl in Bezug auf die technischen Anforderungen einer Applikation als auch in Bezug auf die Möglichkeiten bei der Umsetzung. Diesen Herausforderungen begegnet Stemmer Imaging mit der Kombination aus Produkten, Beratung und Service. Aus über 5000 Produkten allein im Bereich Optik lässt sich für jede Bildverarbeitungsaufgabe die passende Lösung finden.

Denis Bulgin

In Press PR für Stemmer Imaging

(ml)

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