Bildschärfe und Schärfentiefe sind zwei optische Parameter, die leider gegeneinander wirken. Je stärker man ein Objektiv abblendet, desto unschärfer wird seine Abbildung durch die zunehmende Beugung. Die industrielle Bildverarbeitung verlangt gleichwohl beides: maximale Schärfe bei größtmöglicher Schärfentiefe.
Die neu entwickelte Objektiv-Serie „Blue Vision“ von Vision & Control trägt diesem Anspruch Rechnung. Die Thüringer Optikspezialisten nutzen dabei den Umstand, dass die Intensität der Beugung von der Wellenlänge abhängt: Erzeugt ein konkretes Objektiv bei Blende 10 mit rotem Licht (650 nm) ein Beugungsscheibchen von 8 Mikrometer Radius, dann ist es mit blauem Licht (450 nm) nur 5,5 Mikrometer groß, somit die Unschärfe um fast ein Drittel geringer. Es liegt mithin nahe, präzise Bilduntersuchungen wo immer möglich, mit blauem Licht durchzuführen, zumal blaue Leuchtdioden (Deep Blue) einen überaus hohen Wirkungsgrad besitzen. Beleuchtungen von Vision & Control 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, und dies 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 circa 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 auch in der Bildmitte zu Unschärfe. Das bedeutet, dass auch bei Verwendung von einfarbigem Licht nicht auf eine Farbkorrektur des Objektivs verzichtet werden kann.
Farbkorrekturen im Bereich des gesamten sichtbaren Lichts 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.
Nur sehr kleine Farblängsfehler um 10 µm
Hier lag der Gedanke nahe, eine Objektivreihe zu entwickeln, die diesem Umstand gerecht wird und eine Farbkorrektur im blauen Spektrum besitzt. Entstanden sind zunächst zwei Serien telezentrischer Objektive mit einem Objektfelddurchmesser von 18 beziehungsweise 30 mm. Der Abbildungsmaßstab der einzelnen Objektivtypen wurde so gewählt, dass die gängigen Sensorgrößen voll genutzt werden. So ergeben sich die Bildfelddiagonalen 4,1 mm (1/4“), 6,1 mm (1/3“), 9 mm (1/1,8“) und 11 mm für 2/3“. Der Schwerpunkt der Farbkorrektur wurde auf circa 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. Besonderer Wert wurde auf geringe Verzeichnung (sie liegt deutlich unter 1 %) sowie kompakte Bauform gelegt. So ist zum Beispiel das Objektiv T18/0,23 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 V&C typische schlanke Design fort.
Da die Objektive speziell für den blauen Bereich optimiert wurden, sind sie für Rot und IR nur bedingt einsetzbar. Es ist deshalb geplant, eine analoge Objektivreihe für den IR-Bereich zu entwickeln.
Die 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 ideal für den Einsatz in der Robotik.
Die Objektive sind für Blendenwerte ab Blende 8 bis 11 (typabhängig) beugungsbegrenzt und somit für 5MP-Sensoren sehr gut geeignet. Die Objektive der Reihe T18 besitzen einen Tubusdurchmesser von 28 mm (Blendenring 30 mm) und können an diesem Umfang geklemmt werden. Entsprechende Objektivhalter sind lieferbar. Die T30-Baureihe besitzt im vorderen Teil einen Durchmesser von 42 mm, der hintere Teil ist identisch mit der T18-Reihe, es sind somit die gleichen Halter verwendbar. ■
Das optische Spektrum des Lichts
Dringt weißes Licht durch Wassertropfen oder durch prismenförmig geschliffenes Glas, wird dieses Licht an den Grenzflächen zweimal gebrochen. Kurzwelliges Licht wird stärker gebrochen als langwelliges, daher kann mit Hilfe eines Prismas weißes Licht in seine Wellenanteile zerlegt werden. (Dispersion). Strahlung mit einer Wellenlänge von circa 450 nm wird von unserem Sehorgan als „blaues“ Licht, bei circa 530 nm als „grünes“, ab etwa 600 nm als „rotes“ Licht registriert. Infrarot-Strahlung (IR) jenseits von etwa 770 nm wird von unserem Sehorgan nicht mehr als Lichteindruck wahrgenommen. Ultraviolett-Strahlung (UV) im Bereich von unter 380 nm ist für das menschliche Auge ebenfalls nicht mehr wahrnehmbar.
Webhinweis
Wie das Vermessen von Ketten mit industrieller Bildverarbeitung funktioniert, zeigt Vision & Control in diesem Video: http://hier.pro/24ahT
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