Beleuchtung und Objektive Adaptive Beleuchtungen und Objektive für Machine Vision und optische Messtechnik

Redakteur: Gerd Kucera

In der BV spielt das Licht als Messmittel die Hauptrolle, weshalb alle Überlegungen zum Aufbau maschineller Sehsysteme dort beginnen. Von der Beleuchtung direkt abhängig ist das Objektiv. Es ist die zweitwichtigste Komponente optisch abbildender Systeme. Erst das geschickte Abstimmen aller Eigenschaften beider Komponenten ermöglicht die Lösung einer Prüfaufgabe. Denn was nicht gesehen und erkannt wird, kann die Software nicht bewerten.

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Die oftmals sehr anspruchsvollen Applikationen der industriellen Bildverarbeitung können nur dann zuverlässige Messergebnisse liefern, wenn Beleuchtung, Optik, Kamera, Systemschnittstelle und Software richtig ausgewählt und optimal aufeinander abgestimmt sind. „Doch leider wird die Bedeutung des Objektivs, ähnlich wie die der Beleuchtung, häufig noch unterschätzt“, sagt Uwe Eckerl, zuständig für die Objektiventwicklung bei IB/E OPTICS, „dabei ist ein gutes Primärbild Voraussetzung für die hochwertige und stabile Bildauswertung.“

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Zum besseren Verständnis der Eigenschaften von Licht und Optik wird die Fachmesse VISION 2009 (03. bis 05. November) beitragen. Sie wird zeigen, warum sich LED-Beleuchtungen immer stärker durchsetzen und in der Optik der Trend zu hochauflösenden Objektiven geht.

Das Zusammenspiel von Licht und Optik ist kaum bekannt

„Anwender tendieren zum Sparen“, konstatiert Meinrad Simnacher, Geschäftsführer der LEUTRON VISION GmbH, „oft wird mit einer Billiglösung begonnen, um im Nachhinein mit hohem Zeitaufwand festzustellen, dass damit keine stabile und sinnvolle Lösung möglich ist. Zum Teil herrscht, wie Uwe Eckerl sagt, auch eine hohe Softwaregläubigkeit. Wer jedoch glaubt, er könne Fehler, die durch die Auswahl eines ungeeigneten Objektivs oder einer ungenügenden Beleuchtung auftreten softwaretechnisch ausgleichen, der irrt.

Simnacher: „Fehler, die hier gemacht werden, lassen sich oft nur mit hohem Aufwand oder gar nicht kompensieren. Deshalb gibt es viele Kriterien und Parameter, die der Anwender bei der Auswahl des richtigen Objektivs und der richtigen Beleuchtung beachten muss, die schließlich über Erfolg oder Misserfolg einer Bildverarbeitungslösung entscheiden.“

Die LED-Beleuchtung setzt sich durch

Eberhard Fischer, Produktmanager Bildverarbeitung bei POLYTEC, hat beobachtet, dass „in den vergangenen fünf Jahren die LED-Beleuchtung die etablierte faseroptische Beleuchtung in ihrer Bedeutung überholt hat.“

Dieses Ringlicht zeichnet sich durch extreme Helligkeit und vielfältige Ansteuermöglichkeiten aus und ist für Objektabstände (oder schnelle Objekte) ausgelegt (Bild: POLYTEC)

Die Vielfalt der Beleuchtungsformen und Beleuchtungsfarben hat zugenommen. Im Vergleich zu anderen Beleuchtungsarten haben LEDs vor allem eine höhere Langlebigkeit und glänzen durch geringe Ausfallraten. Die relative Konstanz der Helligkeit ist besser als bei Leuchtstoffröhren. Und gegenüber Lichtfaserbeleuchtungen sind LEDs auch kostengünstiger.

Weitere Vorteile sind eine kürzere Reaktionszeit, einfache Handhabung und günstiger Verbrauch. LEDs lassen sich einzeln oder in Gruppen als Blitz- oder Dauerlicht verwenden und auf fassettenreiche Aufgaben zuschneiden. Werden Prüfobjekte optimal ausgeleuchtet, reduziert sich der softwaretechnische Aufwand erheblich.

Laut Alexander Stumpe, Produktmanager bei der SCHNEIDER Optische Werke, garantiert ein gutes Objektiv die kontrastreiche Abbildung der relevanten Information auf dem Sensor-Chip. Auflösung, Transmission und Verzeichnung sind wichtige Aspekte, die bei den Objektivauswahl zu berücksichtigen sind. „Auch die mechanischen Qualität eines Objektivs wie etwa Vibrationsfestigkeit müssen bedacht werden“, merkt Stumpe an.

Über ein spezielles Optik-Design wie beim Apo-Xenoplan 2.0/24 wird ein Shading wirkungsvoll verhindert (Bild: JOS. SCHNEIDER OPTISCHE WERKE)

Das Bad Kreuznacher Unternehmen hat beispielsweise ein Objektiv mit Mikrolinsen für 4-Megapixel-Kameras mit 1,3“-CCD-Bildsensor entwickelt, dessen spezielles Optik-Design ein Shading (Abschatten) auf dem Sensor verhindert. „Es bietet besonders in der Messtechnik Vorteile. Und bei seiner kurzen Brennweite von 24 mm ermöglicht es einen großen Erfassungsbereich bei kleinen Arbeitsabständen“, sagt Stumpe.

Wird ein ungeeignetes Objektiv eingesetzt, lässt sich gegebenenfalls die Leistung eines Sensors nicht vollständig nutzen oder es werden wichtige Details nicht auf dem Sensor abgebildet. Es können Abschattungen bzw. Verzerrungen entstehen. Und wohin falsch bewertete oder nicht erkannte Fehler in der Qualitätskontrolle einer Produktion führen können, muss sicher nicht näher erläutert werden. Entscheidend bei der Auswahl des passenden Objektivs sind ebenfalls die Umgebungsbedingungen einer Anwendung.

Jürgen Fahlbusch, International Sales Manager bei der CARL ZEISS AG bedauert, dass vielen Anwendern das Zusammenspiel von Kamera und Optik nicht ausreichend bekannt ist: „Der Optik wird wenig Beachtung geschenkt. Befindet sich die Bildverarbeitungsanwendung etwa in einer nur gering ausgeleuchteten Produktionshalle, dann lassen sich mit einem lichtstärkeren Objektiv bessere Messergebnisse erzielen, ohne in ein zusätzliches Beleuchtungssystem investieren zu müssen.“

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Auch der Wellenlängenbereich muss passen. Die CARL ZEISS AG wird auf der VISION 2009 beispielsweise ihre ZF-IR-Objektive präsentieren, die auf Infrarotlicht optimiert sind. Sie haben eine spezielle Vergütungsschicht. Fahlbusch: „Das in Jahrzehnten bewährte Carl Zeiss-T*-Anti-Reflex-Coating wurde dazu verändert. Es konnte eine wesentlich höhere Transmission bis zu einer Wellenlänge von 1150 nm erreicht werden. Diese Objektive eignen sich besonders für Lumineszenzmessverfahren, die etwa zur Qualitätskontrolle in der Produktion von Solarzellen zum Einsatz kommen.“

Ultra-Weitwinkel-Objektive mit minimaler Verzeichnung

Auch muss sich der Anwender die Frage stellen, ob im gegebenen Fall der Einsatz eines speziellen Objektivs wie etwa Makro-, Telezentrie- oder Weitwinkelobjektiv sinnvoll wäre. Für gewöhnlich weisen Ultra-Weitwinkel-Optiken eine hohe Verzeichnung am Rand und geringe Auflösung an den Ecken des Bildes auf. Die Ingenieure von IB/E OPTICS haben sich diesem Mangel gewidmet und Ultra-Weitwinkel-Objektive (100°/130°) mit minimaler Verzeichnung entwickelt. Im Gegensatz zu Fisheye-Optiken lassen sich damit auch in Randbereichen des Objektfeldes Gegenstände erkennen und auswerten.

Zwei wesentliche Trends zeichnen sich bei Kameras ab: zum einen größere, hochauflösende Bildsensoren und zum anderen Bildsensoren mit kleineren Pixeln. Beide Lösungsansätze stellen heute und in der Zukunft noch eine große Herausforderung für die Optikhersteller dar, denn sie erzwingen extrem hochauflösende Objektive mit teilweise größerem Bildkreis. „Nur durch den Einsatz solcher Objektive kann der Vorteil des größeren Sensors auch genutzt werden“, sagt Fahlbusch, „ist die Auflösung des Objektivs geringer als die Pixelgröße, führt das zu einem Genauigkeitsverlust des Gesamtsystems, was unter Umständen das komplette Messsystem für die gegebene Anwendung unbrauchbar macht.“

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