Machine-Vision-Objektive Umlenkvorsätze erleichtern den Einbau

Autor / Redakteur: Norbert Schuster* / Gerd Kucera

So genannte Umlenkeinheiten sind ein Zubehör für den Einsatz mit Objektiven, um durch Abwinkelung des Strahlenganges auch lange Lichtwege im rauen Industrieeinsatz realisieren zu können. Aber der Knick in der Optik ist keineswegs trivial und nicht jedes Objektiv ist dafür geeignet.

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Verschiedene PSO90-Umlenkvorsätze in vergleichbarer Größe
Verschiedene PSO90-Umlenkvorsätze in vergleichbarer Größe
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Installation optischer Aufbauten erfordert Raum. Insbesondere bei Messaufbauten mit telezentrischen Objektiven ist der Anwender von vorn herein an einen vorgegebenen Arbeitsabstand gebunden. Telezentrische Objektive haben oft stattliche Baulängen, die leicht fünf bis zehnmal länger als normale entozentrische Optiken sind. Hinzu kommt die Kamera mit ihren Anschlusskabeln, sodass gestreckte Längen vom Objekt bis zum Kabelabgang an der Kamera von über 500 mm durchaus üblich sind.

Auf der Beleuchtungsseite hinter dem Objekt können sich eben-falls erhebliche Baulängen ergeben, wenn die Vorteile der telezentrischen Beleuchtung im Durchlicht genutzt werden sollen. Die Umlenkeinheiten der PSO-Serie von Vision & Control sorgen dafür, dass durch Abwinkelung des Strahlenganges auch lange Lichtwege im rauen Industrieeinsatz realisierbar sind.

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Die Wirkung von Umlenkvorsätzen

Die Abwinkelung des Strahlenganges ist nicht nur ein rein mechanisches Problem. Sie erfordert auch die Berücksichtigung des veränderten Strahlenverlaufes. In Bild 1 ist das Prinzip dargestellt. Ausgangspunkt für den korrekten Einbau ist der Arbeitsabstand AA des telezentrischen Objektivs ohne PSO, der von der Objektivvorderkante bis zur Objektebene gemessen wird. Diese Objektebene wird scharf auf die Empfängermatrix abgebildet.

Manche telezentrische Objektive sind nicht einsetzbar

Durch das Aufsetzen des Umlenkvorsatzes auf das Objektiv wird einerseits der Strahlengang um 90° abgeknickt. Deutlich wird dieser Effekt durch den neuen Verlauf der optischen Achse. Gleichzeitig verringert sich der verbleibende freie Arbeitsabstand durch den Platzbedarf des Umlenkvorsatzes. Telezentrische Objektive mit sehr kurzem Arbeitsabstand können nicht mit Umlenkvorsätzen kombiniert werden, wenn die resultierende Objektebene zu nah am oder gar im Vorsatz liegt.

Der Extremfall der AA-Verkürzung kann abgeschätzt werden über die Länge der optischen Achse

(Archiv: Vogel Business Media)
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die im Umlenkvorsatz verläuft. Optisch wirksam wird diese maximale Verkürzung des Arbeitsabstandes aber nur, wenn als ablenkendes optisches Element ein Oberflächenspiegel verwendet wird. Das ist beim PSO90-200 der Fall, wo auf Grund der Größe des abzulenkenden Strahlenbündels diese gewichtsparende Lösung verwendet wird.

Die kleineren PSO-Umlenkvorsätze verwenden Halbwürfelprismen zur Strahlablenkung. Die Spiegelung erfolgt an deren Hypothenusenfläche durch Totalreflexion, an den Kathedenflächen werden die Strahlen gebrochen. Im Prisma haben die Strahlen einen geringeren Neigungswinkel zur optischen Achse als außerhalb des Prismas. Das führt dazu, dass ein Teil der Verkürzung des Arbeitsabstandes kompensiert wird, und zwar um den Wert

(Archiv: Vogel Business Media)
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= d

Die Kombination mit telezentrischen Licht ist unkritisch

Dabei ist n die Brechzahl des optischen Glases, aus dem das Prisma gefertigt ist, und d ist die Länge der optischen Achse im Prisma. Für das typische optische Glas für Ablenkprismen BK7 ergibt sich in der obigen Gleichung ein Vorfaktor von 0,362.

Die Kombination von Umlenkvorsätzen mit telezentrischen Beleuchtungen ist dagegen unkritisch. Da die Lichtquelle nach Unendlich abgebildet wird, wirkt sich die Verkürzung des Ar-beitsabstandes nicht aus.

Die umfassende PSO-Serie von Vision & Control

Die Umlenkvorsätze werden auf die telezentrischen Objektive oder die telezentrischen Beleuchtungen aufgesteckt und mit Schrauben geklemmt. In Bild 2 befindet sich das Objektiv rechts. Das PSO ist von links aufgesteckt. Seine Lichteintrittsfläche zeigt nach vorn. Vier versenkte Schrauben am Bund des PSO sorgen für einen sicheren Halt.

Befestigungslöcher in den Umlenkvorsätzen bieten zusätzliche Arretiermöglichkeiten.

(Archiv: Vogel Business Media)

Vision & Control hat seine Umlenkvorsätze dem Hauptanwendungszweck, der Installation an seine telezentrischen Messobjektive, angepasst. Damit ergeben sich verschiedene Aufsteckdurchmesser, die den Messobjektivserien entsprechen. Sie sind in der Tabelle zusammengestellt.

Ein zusätzlicher Tubus verringert den Arbeitsabstand

Aufsteckdurchmesser und freies Gesichtsfeld stehen in unmittelbarer Beziehung: Die aus dem telezentrischen Objektiv austretenden Parallelbündel müssen ohne Beschneidung die Um-lenkvorsätze passieren. Je größer das Gesichtsfeld des Objektivs, desto größer der 90°-Umlenkvorsatz.

Die Verkürzung des Arbeitsabstandes ist durch den optischen und mechanischen Aufbau des Umlenkvorsatzes festgelegt. In Kombination mit verschiedenen telezentrischen Objektiven er-geben sich bei ein und demselben PSO verschiedene verblei-bende Arbeitsabstände. Durch einen zusätzlichen Tubus zwi-schen Objektiv und Umlenkvorsatz kann der verbleibende Ar-beitsabstand weiter verringert werden.

Umlenkung an telezentrischen Messaufbauten

Haupteinsatzfeld der PSO-Umlenkvorsätze ist die Abwinkelung des Strahlenganges bei telezentrischen Messanordnungen. In Bild 3 wird für die Kombination vicotar T151/0,39 mit Kamera und telezentrischer Beleuchtung vicolux TZB 51 maßstäblich der Platzbedarf dargestellt.

Die zu vermessenden Objekte befinden sich in der Ebene 1. Im gestreckten Strahlengang ergibt sich ein Platzbedarf von 86 mm Breite und 836 mm Höhe in vertikaler Richtung. Verwendet man ein PSO für die Strahlablenkung am Objektiv, werden 86 mm Höhe und 333 mm Breite in horizontaler Richtung und 86 mm Breite und nur 574 mm Höhe in horizontaler Richtung benötigt. Eine weitere Verringerung des vertikalen Platzbedarfs ergibt sich durch den Einsatz eines zweiten PSO an der Be-leuchtung auf 86 mm Breite x 450 mm Höhe. Neben dem Ob-jektiv mit einem horizontalen Platzbedarf von 86 mm x 333 mm ist der horizontale Platzbedarf der Beleuchtung 86 mm x 252 mm.

Mit diesen Umlenkmöglichkeiten kann der Praktiker den optisch notwendigen Strahlenverlauf an seine vorgegebenen Einbau-bedingungen anpassen.

Strahlablenkung für entozentrische Objektive

Realisierbar sind auch Kombinationen von Umlenkvorsätzen mit entozentrischen Objektiven. Für feste Arbeitsabstände und konstante Abbildungsmaßstäbe bietet Vision & Control die Serien RWO und RWQ in industrietauglicher Ausführung an. Die Umlenkvorsätze können auf dem Objektiv so gedreht werden, dass die gewünschte Blickrichtung eingestellt werden kann.

Bei der Kombination von Prismenvorsätzen mit entozentrischen Objektiven ist zu berücksichtigen, dass diese Objektivtypen objektseitig größere Strahlneigungswinkel als telezentrische Objektive haben. Das führt in Einzelfällen dazu, dass an der Hypothenusenfläche des Halbwürfelprismas die Bedingung der Totalreflexion nicht mehr erfüllt ist. In diesen Fällen kommen Prismen mit verspiegelten Hypothenusenflächen zum Einsatz.

Darüber hinaus bietet das neue PSO90-200 die grundsätzliche Möglichkeit, 90°-Ablenkungen für wählbare entozentrische Objektive aufzubauen. Durch den verwendeten Oberflächenspie-gel ist die Ablenkung immer gewährleistet.

Begrenzend wirkt in jedem Fall die Lichteintrittsfläche mit 62 mm Durchmesser. Hier sollte das gesamte vom Bildaufnehmer erfasste Objektfeld ohne Abschattung hindurchpassen. Da der Lichtweg nach Tabelle 92 mm lang ist, werden in der Regel Kamera und Objektiv sehr dicht am Umlenkvorsatz positioniert werden. Der größte nicht beschnittene Feldwinkel wird dann 2 ω = 37°, sodass in der Kombination entozentrisches Objektiv/PSO90- 200 vorwiegend lange Brennweiten zum Einsatz kommen.

Vision & Control ist in der Lage, auf Kundenwunsch auch noch größere Gesichtsfelder für telezentrische Optiken abzulenken. Vor allem der Materialaufwand steigt mit zunehmenden Bündeldurchmessern. Mit der Palette gemäß Tabelle werden aber die häufigsten abgedeckt.

*Dr. Norbert Schuster ist Leiter der Optikentwicklung bei Vision & Control, Suhl.

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