Telezentrische Messobjektive für den blauen Spektralbereich

| Autor / Redakteur: Jürgen Geffe * / Gerd Kucera

Bild 1: Kompromisse hinsichtlich Abbildungsleistung von Messobjektiven lassen sich vermeiden, setzt man blaues Licht mit einer Wellenlänge von 450 nm und entsprechend darauf optimierte Objektive ein, wie die Baureihen TO18 und TO30.
Bild 1: Kompromisse hinsichtlich Abbildungsleistung von Messobjektiven lassen sich vermeiden, setzt man blaues Licht mit einer Wellenlänge von 450 nm und entsprechend darauf optimierte Objektive ein, wie die Baureihen TO18 und TO30. (Bild: Vision & Control)

Telezentrische Messobjektive bilden dreidimensionale Objekte ohne perspektivische Verzerrung ab. Die Baureihen vicotar TO18 und TO30 sind für den blauen Bereich optimiert. Warum, skizziert dieser Artikel.

In der industriellen Bildverarbeitung erwartet man von der optischen Abbildung hohe Bildschärfe bei gleichzeitig möglichst großer Schärfentiefe. Dies sind jedoch zwei Parameter, die sich zum Teil gegenseitig ausschließen und oft Kompromisse erfordern. Abblenden des Objektivs zum Erreichen der nötigen Schärfentiefe bewirkt, dass das Bild durch die Beugung zunehmend an Schärfe verliert. So entsteht beispielsweise bei rotem Licht (650 nm) für ein konkretes Objektiv bei einer Apertur von 0,05 (entsprechend Blendenwert 10) ein Beugungsscheibchen von 8 µm Radius.

Setzt man hingegen blaues Licht mit einer Wellenlänge von 450 nm ein, verkleinert sich das Scheibchen auf 5,5 µm – ein deutlicher Gewinn. Hinzu kommt, dass die heute verfügbaren LEDs mit 450 nm Wellenlänge (Deep Blue) einen außerordentlich hohen Wirkungsgrad aufweisen. Wenn die Möglichkeit besteht, sollte folglich mit einfarbigem, blauem Licht gearbeitet werden.

Warum die Dispersion oft nicht vernachlässigbar ist

Beleuchtungen von Vision & Control beispielsweise sind für diese kurzen Wellenlängen von 450 nm ausgelegt und bieten durch ihre große Leistungsreserve (sowohl im Dauerlicht als auch bei Blitzbetrieb) eine gute Ausleuchtung – auch unter schwierigen Bedingungen.

Vielfach wird die Meinung vertreten, dass das monochromatische Arbeiten den Einsatz einfacher, farblich unkorrigierter Objektive ermöglicht. Dies stimmt jedoch nur bedingt. Eine LED ist nicht völlig monochromatisch, sondern besitzt eine Halbwertsbreite von etwa 20 bis 30 nm. Das erscheint wenig, erzeugt aber dennoch eine oft nicht vernachlässigbare Dispersion. Diese verursacht sowohl einen Farbquerfehler (Lateral Color, der Abbildungsmaßstab ändert sich mit der Wellenlänge) als auch einen Farblängsfehler (Focal Shift, der Fokus verschiebt sich).

Bei einem farblich nicht korrigierten Objektiv wurden bei einem Abbildungsmaßstab von 0,2 und einem Objektfeld von 15 mm Durchmesser am Rand des Bildes Farbsäume von mehr als 10 µm gemessen, wenn die Wellenlänge um 20 nm geändert wurde. Um diesen Betrag werden die äußeren Bildpunkte verwaschen, was zu erheblicher Unschärfe führt. Der zusätzliche Farblängsfehler führt zusätzlich in der Bildmitte zu einer ungewünschten Unschärfe. Das bedeutet, dass auch bei Verwendung von einfarbigem Licht nicht auf eine Farbkorrektur des Objektivs verzichtet werden kann.

Farbkorrekturen im gesamten Bereich des sichtbaren Lichtes sind mit hohem Aufwand verbunden. Meist realisiert man die Korrektur für zwei Wellenlängen innerhalb des betreffenden Spektrums und lässt dazwischen gewisse Zonenfehler zu. An den Rändern des korrigierten Spektrums steigt dann der Fehler meist steil wieder an – und dies ist gerade der günstige Bereich zwischen 450 bis 480 nm. Hier lag bei Vision & Control der Gedanke nahe, eine Objektivreihe zu entwickeln, die diesem Umstand gerecht wird und eine Farbkorrektur im blauen Spektrum besitzt.

Sehr kleine Farblängsfehler und geringe Verzeichnung

Entstanden sind zunächst zwei Serien telezentrischer Objektive mit einem Objektfelddurchmesser von 18 bzw. 30 mm. Der Abbildungsmaßstab der einzelnen Objektivtypen wurde so gewählt, dass die gängigen Sensorgrößen vollständig genutzt werden. So ergeben sich die Bildfelddiagonalen 4,1 mm (1/4 Zoll), 6,1 mm (1/3 Zoll), 9 mm (1/1,8 Zoll) und 11 mm (2/3 Zoll).

Der Schwerpunkt der Farbkorrektur wurde auf ca. 470 nm gelegt. Damit ergeben sich im Bereich von 450 nm bis 490 nm nur sehr kleine Farblängsfehler um 10 µm, die unter der Nachweisgrenze liegen. Besondere Beachtung fand die geringe Verzeichnung (sie liegt deutlich unter 1%) sowie kompakte Bauform. So ist zum Beispiel das Objektiv TO18/0,23 kaum länger als ein herkömmliches entozentrisches Objektiv. Die Wandstärke der Tuben ist nicht größer als für die Stabilität (raue Industriebedingungen) erforderlich und setzt das für Vision & Control typische schlanke Design fort.

Da die Objektive speziell für den blauen Bereich optimiert wurden, sind sie für Rot und Infrarot (IR) nur bedingt einsetzbar. Es ist deshalb geplant, eine entsprechende Objektivreihe für den IR-Bereich zu entwickeln.

Die zuvor genannten Objektive besitzen eine einstellbare Blende. Für den Einsatz unter besonders rauen Bedingungen ist eine rüttelfeste Variante lieferbar, bei der sämtliche Linsen verklebt sind und die eine Festblende besitzt. Mit ihren kleinen Abmessungen und ihrem geringen Gewicht sind diese Objektive auch in der Robotik einsetzbar. Die Objektive sind für Blendenwerte ab Blende 8 bis 11 (typabhängig) beugungsbegrenzt und somit für 5-Megapixel-Sensoren sehr gut geeignet.

Alle Objektive der Reihe TO18 besitzen einen Tubus-Durchmesser von 28 mm (Blendenring 30 mm) und können an diesem Umfang geklemmt werden. Entsprechende Objektivhalter sind erhältlich. Die TO30-Baureihe besitzt im vorderen Teil einen Durchmesser von 42 mm, der hintere Teil ist identisch mit der TO18-Reihe, es sind somit die gleichen Halter nutzbar.

Zur Fachmesse Vision 2018 in Stuttgart (6.-8.11.) werden die telezentrischen Objektive der Baureihen TO18 und TO30 vorgestellt und sind dann ab sofort erhältlich.

Seit über 25 Jahren entwickelt, produziert und vertreibt Vision & Control ein in sich abgestimmtes Komponentensystem, beginnend bei intelligenten Kameras und Mehrkamerasystemen, über Hochleistungs-LED-Beleuchtungen bis hin zu Präzisionsoptiken. Durch enge Kooperationen zu Unternehmungen im Umland entstand ein Kompetenz-Pool, der von der Forschung über die Entwicklung und Fertigung bis hin zu Schulung und Training reicht (siehe dazu auch den untenstehenden Kasten).

* Dr. Jürgen Geffe ist Geschäftsführer der Vision & Control in Suhl.

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