In der Präzisions-Bildverarbeitung kann das Objektiv zum limitierenden Faktor werden, selbst wenn der Kamerasensor und die Bildverarbeitungssoftware in der Lage sind, kleine Maßunterschiede aufzulösen. Ein herkömmliches Objektiv ändert seine scheinbare Vergrößerung, wenn sich das Objekt dem Objektiv nähert oder sich davon entfernt. Dieser perspektivische Effekt bedeutet, dass sich der gemessene Durchmesser eines Lochs, die Position einer Kante oder die Breite einer mechanischen Komponente im Bild ändern können, selbst wenn sich die physikalische Abmessung nicht geändert hat.

Dieses Problem wird noch schwerwiegender, wenn Teile nicht genau auf der gleichen Höhe positioniert sind oder wenn in einer Produktionslinie unvermeidbare Schwankungen im Objektabstand auftreten. Bildverzerrungen können eine weitere Quelle für Messfehler darstellen, insbesondere an den Rändern des Sichtfelds.

Ein telezentrisches Objektiv beseitigt diese Einschränkungen durch seine optische Geometrie. Durch die Steuerung des Hauptstrahlengangs, insbesondere auf der Objektseite, kann eine wesentlich gleichmäßigere Vergrößerung über einen definierten Arbeitsabstandsbereich aufrechterhalten werden. Bei der Dimensionsprüfung wird das optische System dadurch weniger empfindlich gegenüber kleinen Änderungen der Objektposition und bietet eine zuverlässigere Grundlage für wiederholbare Messungen.

Wie telezentrische Optik die Dimensionsmessung verbessert

Der Hauptgrund für die Verwendung eines telezentrischen Objektivs ist nicht nur, dass es ein schärferes Bild erzeugt. Sein Hauptvorteil besteht darin, zu steuern, wie sich die Objektposition auf das Bild auswirkt.

Bei einem herkömmlichen Bildverarbeitungsobjektiv können zwei identische Komponenten, die in unterschiedlichen Abständen vom Objektiv positioniert sind, scheinbar unterschiedliche Größen haben. Dies ist eine normale perspektivische Projektion. Für Anwendungen wie Zählen oder allgemeine Anwesenheitskontrolle kann diese Änderung akzeptabel sein. Bei dimensionalen Messungen kann es jedoch einen direkten Einfluss auf das Ergebnis haben.

Ein objektraumtelezentrisches Objektiv verwendet eine optische Anordnung, bei der die Hauptstrahlen auf der Objektseite annähernd parallel zur optischen Achse verlaufen. Dadurch ist die seitliche Bildgröße wesentlich weniger abhängig von kleinen Änderungen der Objektentfernung innerhalb des angegebenen Betriebsbereichs. Dies ist besonders nützlich bei der Messung von Lochdurchmessern, Außendurchmessern, Bauteilbreiten, Kantenpositionen oder den Abmessungen von geformten und bearbeiteten Teilen.

Telezentrie sollte daher zusammen mit der Vergrößerung betrachtet werden. Eine bestimmte Vergrößerung, beispielsweise 0,5X oder 1X, bestimmt die Beziehung zwischen Objektgröße und Bildgröße, während die Telezentrie bestimmt, wie konsistent diese Beziehung beibehalten wird, wenn sich die Objektposition ändert.

Verzerrung ist ein weiterer wichtiger Parameter. Selbst wenn die Nennvergrößerung angemessen ist, kann eine geometrische Verzerrung dazu führen, dass dasselbe Merkmal in unterschiedlichen scheinbaren Maßstäben erscheint, je nachdem, wo es sich im Sichtfeld befindet. Telezentrische Optiken mit geringer Verzerrung sind daher wertvoll für Anwendungen, bei denen Messungen über einen großen Bildbereich und nicht nur im optischen Zentrum durchgeführt werden.

Auch die Schärfentiefe spielt eine Rolle. Eine Komponente mit Höhenunterschieden bleibt möglicherweise nicht perfekt im Verhältnis zur nominalen Arbeitsebene positioniert. Eine größere nutzbare Schärfentiefe kann dazu beitragen, bei dieser Variante eine akzeptable Bildqualität aufrechtzuerhalten, obwohl eine zunehmende Schärfentiefe häufig eine kleinere Blende erfordert und sich auf die verfügbaren Licht- und Belichtungseinstellungen auswirken kann. Blendenzahl, Beleuchtungsstärke, Sensorempfindlichkeit und erforderliche Inspektionsgeschwindigkeit müssen daher gemeinsam betrachtet werden.

Objektraum-telezentrische, Bildraum-telezentrische und bi-telezentrische Designs dienen unterschiedlichen Zwecken. Die Objektraum-Telezentrie ist für die Dimensionsprüfung besonders relevant, da sie perspektivbedingte Vergrößerungsänderungen auf der Objektseite reduziert. Die Bildraumtelezentrie steuert die Hauptstrahlgeometrie zum Sensor und kann für sensorseitige Bildgebungsanforderungen nützlich sein. Ein bi-telezentrisches Objektiv kombiniert telezentrisches Verhalten auf beiden Seiten und wird oft in Betracht gezogen, wenn eine extrem stabile Abbildungsgeometrie erforderlich ist. Die geeignete Architektur hängt von der Messtoleranz, der Sensorkonfiguration, dem optischen Pfad und der mechanischen Anordnung des Inspektionssystems ab.

Telezentrische Objektive werden in der maschinellen Bildverarbeitung und Präzisionsprüfung eingesetzt

Die praktische Frage ist nicht nur, was telezentrische Objektive leisten können, sondern auch, wann ein Bildverarbeitungssystem tatsächlich eines benötigt.

Ein telezentrisches Objektiv ist eine Überlegung wert, wenn die Messtoleranz so eng ist, dass perspektivische Größenabweichungen im Vergleich zum zulässigen Fehler erheblich werden. Dies ist auch nützlich, wenn Teile nicht genau auf der gleichen Höhe positioniert werden können, wenn mehrere Merkmale über ein relativ großes Sichtfeld gemessen werden müssen oder wenn die Kantengeometrie konsistent bewertet werden muss.

Bei elektronischen Bauteilen kann die Inspektion beispielsweise das Messen der Gehäuseabmessungen, des Leitungsabstands, der Steckergeometrie oder der Position kleiner Merkmale umfassen. Eine herkömmliche Linse kann scheinbare Dimensionsänderungen bewirken, wenn die Komponentenhöhe variiert. Durch die telezentrische Bildgebung wird der Einfluss dieser Positionsvariation reduziert, sodass die Bildverarbeitungssoftware mit einer konsistenteren geometrischen Darstellung arbeiten kann.

Eine weitere häufige Anwendung ist die Steckverbinderprüfung. Stiftposition, Gehäuseabmessungen, Öffnungsgröße und Kantenpositionen können alle anhand eines einzigen Bildes bewertet werden. Das erforderliche Sichtfeld muss groß genug sein, um das gesamte Bauteil zu erfassen und gleichzeitig eine ausreichende Objektraumauflösung für das kleinste zu messende Merkmal aufrechtzuerhalten. Die Wahl der Vergrößerung ohne Berücksichtigung der Sensorgröße kann daher zu einem ungeeigneten System führen.

Präzisionsmechanische Teile stellen ähnliche Anforderungen. Lochdurchmesser, Außendurchmesser, Schlitzbreite, Fasenposition und Bauteilabmessungen können konsistenter gemessen werden, wenn das optische System perspektivische Effekte minimiert. Dies ist besonders relevant für die automatisierte Inspektion, bei der Tausende von Teilen anhand derselben Messkriterien bewertet werden müssen.

Telezentrische Objektive werden auch bei der Halbleiterinspektion, PCB-Inspektion, Glasmessung, Formteilinspektion und automatischen Dimensionssortierung eingesetzt. Bei diesen Anwendungen sollte die Objektivauswahl bei der Messaufgabe und nicht nur bei der Kamera beginnen.

Die wichtigsten Parameter hängen miteinander zusammen:

• Die Vergrößerung bestimmt, wie groß das Objekt auf dem Sensor erscheint.

• Das Sichtfeld (FOV) bestimmt den von der Kamera erfassten physischen Inspektionsbereich.

• Der Arbeitsabstand (WD) definiert den erforderlichen mechanischen Abstand zwischen Objektiv und Objekt.

• Die Sensorgröße bestimmt, ob das Objektiv die Kamera ohne übermäßige Vignettierung oder Verlust des nutzbaren Bildbereichs abdecken kann.

• Die Schärfentiefe (DOF) bestimmt, wie viel Objekthöhenschwankung innerhalb des akzeptablen Bildbereichs bleiben kann.

• Verzerrungen wirken sich auf die geometrische Messung im gesamten Feld aus.

• Die Blendenzahl beeinflusst die Schärfentiefe, die Lichtdurchlässigkeit und die Belichtungsanforderungen.

• Die Auflösung muss für kleinste Merkmale und Messtoleranzen ausreichend sein.

Beispielsweise erfordert ein großes Bauteil nicht automatisch eine Linse mit geringer Vergrößerung. Die richtige Wahl hängt von den Sensorabmessungen und dem erforderlichen Sichtfeld ab. Ebenso kann die Auswahl eines Objektivs mit ausreichender Auflösung, aber unzureichendem Arbeitsabstand oder unzureichender Sensorabdeckung dazu führen, dass das gesamte optische System ungeeignet ist.

Der praktische Auswahlprozess sollte daher mit den Abmessungen des Objekts, dem kleinsten messbaren Merkmal, dem zulässigen Messfehler, der Höhenabweichung, dem erforderlichen Arbeitsabstand, der Größe des Kamerasensors und der Inspektionsgeschwindigkeit beginnen.

Was bestimmt den Preis eines telezentrischen Objektivs?

Der Preis für telezentrische Objektive variiert erheblich, da das optische System anspruchsvoller ist als ein herkömmliches Bildverarbeitungsobjektiv. Ein Preisvergleich nur anhand der Vergrößerung oder des äußeren Erscheinungsbildes kann daher irreführend sein.

Ein wichtiger Faktor ist die Vergrößerung und das Sichtfeld. Ein Objektiv, das für ein relativ kleines Sichtfeld ausgelegt ist, erfordert möglicherweise eine andere optische Konfiguration als ein Objektiv, das einen großen Inspektionsbereich abdecken soll. Telezentrische Systeme mit großem FOV können größere optische Elemente und komplexere mechanische Strukturen erfordern, was sowohl die Herstellungsschwierigkeiten als auch die Materialkosten erhöht.

Auch der Arbeitsabstand beeinflusst das Design. Ein großer Arbeitsabstand kann erforderlich sein, wenn das System koaxiale Beleuchtung, Ringbeleuchtung, mechanische Vorrichtungen oder andere Komponenten zwischen der Linse und dem zu prüfenden Teil umfasst. Um die telezentrische Leistung beizubehalten und gleichzeitig einen längeren Arbeitsabstand bereitzustellen, können zusätzliche optische Elemente und eine größere Linsenstruktur erforderlich sein.

Ein weiterer Kostenfaktor ist die Sensorkompatibilität. Ein für einen größeren Sensor konzipiertes Objektiv muss einen Bildkreis bieten, der groß genug ist, um diesen Sensor abzudecken und gleichzeitig die erforderliche optische Leistung beizubehalten. Kameraauswahl und Objektivauswahl sollten daher als eine Systemdesign-Entscheidung und nicht als zwei unabhängige Anschaffungen behandelt werden.

Auch das erforderliche Maß an Telezentrie, Verzerrungskontrolle und optischer Auflösung beeinflusst die Kosten. Ein Dimensionsprüfsystem mit einer engen Messtoleranz erfordert möglicherweise eine wesentlich bessere geometrische Kontrolle als ein Prüfsystem, das nur zur Anwesenheits- oder Ausrichtungserkennung verwendet wird.

Die Anpassung kann den Preis weiter beeinflussen. Eine besondere Vergrößerung, ein nicht standardmäßiger Arbeitsabstand, eine größere Bildabdeckung, kundenspezifische mechanische Schnittstellen, spezifische spektrale Anforderungen oder die Integration mit einer speziellen Beleuchtung können eine optische Neugestaltung und zusätzliche Überprüfung erfordern.

Aus diesem Grund ist das günstigste telezentrische Objektiv nicht unbedingt die kostengünstigste Lösung. Ein Objektiv mit ungeeigneter Sensorabdeckung oder ungeeignetem Arbeitsabstand erfordert möglicherweise eine andere Kamera, zusätzliche Optik, mechanische Änderungen oder ein überarbeitetes Beleuchtungssystem. Durch Kalibrierung und Systemintegration können weitere Kosten entstehen.

Ein sinnvollerer Beschaffungsansatz besteht darin, zunächst die erforderliche Messtoleranz zu definieren und dann die erforderliche Vergrößerung, das Sichtfeld, die Sensorgröße, den Arbeitsabstand, den Schärfentiefebereich, den Verzerrungsgrad, die Blendenzahl und die Telezentrie zu bestimmen. Dadurch können Käufer vermeiden, für Spezifikationen zu zahlen, die nicht zur Prüfaufgabe beitragen, und gleichzeitig eine Unterspezifikation vermeiden, die die Messzuverlässigkeit beeinträchtigt.

Anpassung des Objektivs an das komplette Bildverarbeitungssystem

Als Teil des kompletten Messsystems sollte eine telezentrische Optik gewählt werden. Kameraauflösung, Sensorformat, Beleuchtung, Montagegeometrie, Kalibrierungsmethode und Bildverarbeitungsalgorithmen beeinflussen alle das endgültige Messergebnis.

Beispielsweise verbessert eine Erhöhung der Kameraauflösung nicht automatisch die Maßhaltigkeit, wenn das Objektiv übermäßige Verzerrungen verursacht oder wenn die optische Vergrößerung schlecht an das erforderliche Sichtfeld angepasst ist. Ebenso kann ein stark telezentrisches Objektiv eine unzureichende Beleuchtung nicht ausgleichen, wenn die untersuchte Kante keinen ausreichenden Kontrast für eine zuverlässige Kantenerkennung aufweist.

Hier wird die optische Anpassung für industrielle Anwendungen mit nicht standardmäßigen Anforderungen wichtig.

ECOPTIK erforscht seit 15 Jahren die Technologie zur Herstellung optischer Komponenten und stellt optische Präzisionskomponenten her, darunter sphärische Linsen, Kuppeloptiken, mikrooptische Komponenten, zylindrische Spiegel, Filter, Prismen und Fenster. Zu den Materialoptionen gehören Glas von Schott, CDGM und Corning sowie Saphir, CaF₂, MgF₂, Quarzglas, Si, ZnSe und ZnS. ECOPTIK bietet auch Linsenmontagedienste an.

Zur Verifizierung und Produktberichterstattung verwendet ECOPTIK Geräte wie ZYGO-Laserinterferometer, ZEISS CMM Spectrum und Agilent Cary 7000 UMS. Diese Funktionen unterstützen optische Tests und stellen Messberichte für kundenspezifische optische Produkte bereit.

Für telezentrische Objektivanwendungen bietet ECOPTIK leistungsstarke telezentrische Objektive und maßgeschneiderte Lösungen für industrielle Bildverarbeitung und Präzisionsmessung. Sein optischer Designansatz konzentriert sich auf die Reduzierung von Messungenauigkeiten, die mit Blickwinkeländerungen und Bildverzerrungen verbunden sind, durch kontrollierte telezentrische Geometrie, stabile Bildgebung und anwendungsspezifische Anpassung.

Für Bildverarbeitungsunternehmen, Hersteller von Präzisionsmessgeräten, Automatisierungsintegratoren und industrielle Forschungs- und Entwicklungsorganisationen besteht das Ziel nicht einfach darin, ein telezentrisches Objektiv zu kaufen. Ziel ist es, eine optische Konfiguration zu etablieren, bei der Telezentrie, Vergrößerung, FOV, Arbeitsabstand, DOF, Verzerrung, Sensorgröße, F/# und Messtoleranz zusammenarbeiten.

Diese Beziehung bestimmt letztendlich, ob ein telezentrisches Objektiv für die Anwendung geeignet ist – und ob sein Preis eine effektive Investition in das gesamte Messsystem darstellt.