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Grundlagen Objektive Tipps für die Objektivauswahl zur Machine-Vision-Inspektion

| Autor / Redakteur: Ute Häußler * / Gerd Kucera

Ein gutes Primärbild ist die Voraussetzung für eine hochwertige und stabile Bildauswertung. Hierbei wird das Zusammenspiel von Objektiv und Beleuchtung häufig noch unterschätzt.

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Bild 1: Der Bildkreis muss so groß wie der Sensor sein, damit der Sensor voll ausgeleuchtet wird.
Bild 1: Der Bildkreis muss so groß wie der Sensor sein, damit der Sensor voll ausgeleuchtet wird.
(Bild: FRAMOS )

In der Bildverarbeitung 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 optischer 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.

Sensorgröße und Auflösung sind hierbei entscheidende Merkmale. In diesem Zusammenspiel unterschätzen viele Bildverarbeitungsanwender die Wichtigkeit des Objektivs: Zwar werden immer hochwertigere Sensoren eingesetzt, an die notwendige Passgenauigkeit der Objektive aber nicht unbedingt gedacht. Mit der technischen Entwicklung im CCD- und CMOS-Bereich verbessern sich die Sensoren rapide, dennoch muss das Objektiv qualitativ dazu passen, sonst sind schlechte und ungenaue Auswertungen das Ergebnis.

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Das korrekt zur Sensorgröße gewählte Objektiv gewährleistet, dass die erfasste Szene die Sensorfläche vollständig ausleuchtet. Wenn dieser sogenannte Bildkreis für Objektiv und Sensor übereinstimmt, verhindert er unerwünschte Abschattungen, Vignettierungen oder dunkle Bildflächen und sorgt für eine gleichbleibende Bildqualität bis zum Rand. Für welche Sensorgröße sich das Objektiv eignet, ist im Datenblatt des Herstellers ersichtlich.

Für einen 2/3"-Sensor sollte demnach ein 2/3"-Objektiv eingesetzt werden. Da der maximale Bildkreis vom Sensor vorgegeben ist, bringen größere Objektive keinen Mehrwert sofern die Abbildungsqualität des Objektivs bis zum Rand gleichbleibend hoch ist – größere Objektive sind teurer und daher aus Rentabilitätsgründen nicht notwendig.

Nicht nur die Sensorgröße beeinflusst die Objektivwahl, sondern auch die Pixelgröße. Nicht unbedingt ist die Pixelgröße eines Sensors direkt angegeben und muss in diesem Fall beim Hersteller angefragt oder selbst errechnet werden. Entsprechend Pixelgröße = höchste Sensorgröße/Auflösung besitzt ein 2/3"-Sensor mit 5 Megapixeln eine Pixelgröße von 3,45 µm, ein 1/3"-Sensor mit derselben Auflösung eine Pixelgröße von 2,2 µm.

Die Auflösung eines Objektivs wird dazu in Linienpaaren pro mm (lp/mm) angegeben und drückt aus, wie viele Linienpaare sich auf einem Bild pro mm trennscharf abbilden lassen, bevor eine nicht auswertbare graue Fläche entsteht. Für diese Kontrastmessung werden spezielle Test-Charts, beispielsweise mit sogenannten Siemenssternen, mit einer spezifischen Analyse-Software genutzt, um die effektive Optikleistung von der Bildmitte bis zum Bildrand zu messen.

Die entstehende Kurve ergibt den Kontrastverlust und damit die Übertragungseffizienz des Objektivs. Wie viele Linienpaare/mm für einen bestimmten Sensor benötigt werden, kann mit der folgenden Formel abgeschätzt werden: Objektivauflösung in lp/mm = 500/Pixelgröße in µm. Bei einer Pixelgröße von 3,45 µm sollte das Objektiv dementsprechend 144 lp/mm erfassen können.

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