Telezentrische Objektive Bedeutung von Lichtstärke und Homogenität der Bildhelligkeit

Autor / Redakteur: Claudia Brückner * / Gerd Kucera

Die Lichtstärke eines Objektivs entscheidet über die erforderliche Belichtungszeit und die Homogenität über die Anwendbarkeit der Auswertealgorithmen über das gesamte Bildfeld.

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Bild 1: Ein wichtiges Unterscheidungskriterium für Objektive ist die Stärke ihrer perspektivischen Abbildung. Durch die perspektivfreie Abbildung mit telezentrischen Objektiven werden auch die Bauteile am Grund der Leiterplatte sichtbar.
Bild 1: Ein wichtiges Unterscheidungskriterium für Objektive ist die Stärke ihrer perspektivischen Abbildung. Durch die perspektivfreie Abbildung mit telezentrischen Objektiven werden auch die Bauteile am Grund der Leiterplatte sichtbar.
(Bild: Vision & Control)

Der Artikel zeigt, wie sich die beiden Parameter Belichtungszeit und Homogenität der Bildhelligkeit bei telezentrischen Objektiven im Vergleich zu entozentrischen Objektiven verhalten und welche Kennzahlen hierfür wichtig sind.

Die effizienteste Lösung einer Bildverarbeitungsaufgabe ist nicht immer offensichtlich. So beeinflussen die Eigenschaften des Objektivs die Erfordernisse für nachfolgende Bildverarbeitungskomponenten inklusive Auswertesoftware. Anders ausgedrückt: Durch ein hochwertiges Objektiv sind kürzere Belichtungszeiten möglich und werden Ausgleichsalgorithmen überflüssig. Dies ist besonders bei schnellen Mess- und Überwachungsprozessen entscheidend, wie beispielsweise bei der Leiterplattenkontrolle in der Produktronik. Hier liegen die Taktzeiten im Bereich von weniger als 40 ms, wodurch für die eigentliche Bildaufnahme nur eine Zeit im Bereich von 10 ms verbleibt.

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Um eine ausreichende Belichtung zu erhalten und so auch alle Bauteile sichtbar zu machen, sind hier lichtstarke Objektive gefordert. Mit einem homogen ausgeleuchteten Bildfeld können die festgelegten Grenzwerte dann für den ganzen betrachteten Bildbereich verwendet werden. So können Programmschleifen zum immer wieder neuen Festsetzen von Grauwertschwellen für unterschiedliche Bildbereiche entfallen. Hier hat die Praxis gezeigt, dass dies besonders für die Langzeitstabilität von Inspektionssystemen wichtig ist.

Für die Kontrolle der Einhaltung von Produktparametern spielen telezentrische Objektive eine wichtige Rolle, denn sie bieten bei hoher Auflösung eine nahezu vollständige und unverzerrte Sicht auf die Bauteile. Dies unterscheidet sie von normalen Foto-Objektiven. Diese sind üblicher Weise entozentrisch, nehmen also die Untersuchungsobjekte alle mehr oder weniger perspektivisch auf.

Das Perspektivitätszentrum liegt bei entozentrischen Objektiven zwischen Objekt und Objektiv (Bild 1). Dadurch erscheinen Objekte, wenn sie sich näher am Objektiv befinden, größer als wenn sie weiter entfernt sind. Dies kann dazu führen, dass bei in der Tiefe ausgedehnten Objekten vordere Kanten hintere verdecken oder dass Abmessungen von Objekten aufgrund von unterschiedlichen Abständen zum Objektiv falsch gemessen werden.

Ausgeschlossen werden können diese beiden Nachteile durch telezentrische Objektive, genauer gesagt objektseitig telezentrische Objektive. Nur diese ermöglichen völlig perspektivfreie Aufnahmen. Denn ihr Perspektivitätszentrum liegt im objektseitig Unendlichen. Aufgrund der Parallelprojektion erscheinen gleichgroße Objekte auch bei unterschiedlichen Abständen vom Objektiv im Bild gleich groß. Der Frontdurchmesser dieser Objektive muss dabei mindestens so groß sein wie das Untersuchungsobjekt.

Die Wirkungsweise der Objektive beruht auf der Lage ihrer Öffnungsblende (Bild 2). Denn optische Systeme im Bereich Machine Vision haben nicht nur die Aufgabe das Untersuchungsobjekt an sich abzubilden, gleichzeitig erfolgt auch immer eine Blendenabbildung. Diese entscheidet darüber, aus welcher Richtung und in welcher Menge die Strahlen vom Objekt abgebildet werden. Bei bildseitig telezentrischen Objektiven wird die Öffnungsblende ins bildseitig Unendliche abgebildet. Diese Objektivkonstruktion spielt für die Bildhomogenität eine entscheidende Rolle, wie im weiteren Artikelverlauf noch erläutert wird. Beidseitig telezentrische Objektive vereinen die Vorteile von objekt- und bildseitiger Telezentrie.

Die effektive Blendenzahl schafft Vergleichbarkeit

Die Lichtstärke eines Objektivs entscheidet über die erforderliche Belichtungszeit. Eine Kennzahl zur Beschreibung der Lichtstärke ist die effektive Blendenzahl keff (engl.: effective F-number). Diese ist so definiert, dass bei gleicher Blendenzahl ein Objektiv mit gleichen Transmissionseigenschaften und bei gleicher Objektleuchtdichte die gleiche Beleuchtungsstärke im Bild liefert.

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