Die Anwendung bestimmt die Optik
Wird für eine neue Bildverarbeitungsanwendung ein Objektiv benötigt, erscheint die Wahl eines Objektivs mit maximaler optischer Leistung einleuchtend. Schließlich sollen Auflösung und Bildkontrast so gut wie möglich ausfallen, damit keine Objektdetails verloren gehen
Anna Hetzelt, Technical Content Specialist bei Edmund Optics Europe
Voraussetzung für die Auslegung eines geeigneten Bildgebungssystems ist die genaue Kenntnis der Anwendungsanforderungen. Dazu gehört insbesondere die Definition des kleinsten relevanten Merkmals, das vom System zuverlässig erkannt werden soll. Basierend auf dieser Grundlage sowie weiteren Parametern wie Arbeitsabstand und Umgebungsbedingungen können passende Systemkomponenten bestimmt werden. Bildverarbeitungsobjektive werden bei dieser Auswahl häufig anhand individueller Spezifikationen verglichen, zum Beispiel im Hinblick auf höchste optische Auflösung, kleinste Blendenzahl oder größte Sensorabdeckung. Doch keine dieser Spezifikationen allein bestimmt die Bildqualität oder die Eignung eines Objektivs für einen bestimmten Einsatzzweck. Das Spektrum an Inspektionsaufgaben in der industriellen Bildverarbeitung ist zu breit und kein einzelnes Objektiv wird für jede Anwendung ideale Ergebnisse liefern. So profitiert das Barcode-Lesen zum Beispiel von einer hohen Tiefenschärfe und einem hohen Bildkontrast, während die optische Zeichenerkennung (OCR) für eine zuverlässige Detektion zusätzlich eine geringe Verzerrung erfordert.
Präzisionsmessanwendungen legen ebenfalls besonderen Wert auf minimale Verzerrung, während die Fehlererkennung nicht nur von einer ausreichenden Auflösung, sondern auch von einer passenden Beleuchtung abhängt. Bei Robotic-Vision-Systemen sind mechanische Robustheit und Fokusstabilität oft wichtiger als das Erreichen einer höchstmöglichen Auflösung. Letztendlich ist jenes Objektiv am besten geeignet, das die Inspektionsanforderungen der Anwendung und die allgemeinen Systemziele optimal erfüllt, ohne über die tatsächlichen Anforderungen hinauszugehen.
Warum mehr Licht nicht immer besser ist
In vielen Fällen wird eine niedrige Blendenzahl (eine große Blendenöffnung des Objektivs und damit eine hohe Lichtstärke) automatisch mit einem leistungsfähigeren Objektiv assoziiert. Aus theoretischer Sicht lässt sich diese Annahme gut begründen: Mit abnehmender Blendenzahl erhöht sich die erreichbare beugungsbegrenzte Auflösung, da der Durchmesser des Airy-Scheibchens kleiner wird. Eine niedrige Blendenzahl sorgt außerdem dafür, dass mehr Licht auf den Sensor gelangt. So werden kürzere Belichtungszeiten und weniger Unschärfe ermöglicht, was vor allem bei bewegten Objekten ausschlaggebend sein kann.
In der Praxis geht eine niedrige minimale Blendenzahl jedoch mit deutlich höheren Anforderungen an die Objektivkonstruktion einher und erschwert die Kontrolle optischer Aberrationen. Werden diese nicht ausreichend korrigiert, können sie die Vorteile einer reduzierten Beugung und verringerten Belichtungszeit überwiegen, die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) des Systems vor allem an den Bildrändern verringern und die erreichbare Bildauflösung begrenzen.
Mit sinkender Blendenzahl werden deutlich anspruchsvollere optische Designs notwendig. Häufig sind optisches Spezialglas, besondere Linsengeometrien und engere Fertigungstoleranzen erforderlich. Dies erhöht die Komplexität des Designs und die Produktionskosten. Objektive mit niedriger minimaler Blendenzahl sind in der Regel teurer als vergleichbare Objektive, die für höhere Blendenzahlen entwickelt und optimiert wurden. Insbesondere bei industriellen Inspektionssystemen in großer Stückzahl können die Objektivkosten somit einen wesentlichen Anteil an den Gesamtkosten ausmachen.
Blendenzahl und Tiefenschärfe in der Bildverarbeitung
Neben den höheren Entwicklungs- und Herstellungskosten besitzen lichtstarke Objektive, die bei kleinen Blendenzahlen verwendet werden, einen weiteren Nachteil: Aufgrund der geringeren Tiefenschärfe sinkt die Toleranz gegenüber Objektbewegungen, Vibrationen und Fokusfehlern.
Dieser Aspekt ist vor allem bei Inspektionssystemen an Förderbändern oder bei Anwendungen mit wechselnden Objektpositionen relevant. In solchen Fällen bietet eine Blendenzahl von 5,6, 8 oder sogar 11 oft eine bessere Balance zwischen Bildqualität, Robustheit und einfacher Einstellbarkeit des Objektivs als eine Blendenzahl von 2,8.
Entsprechend sollte auch die Auslegung des Objektivs auf den tatsächlich benötigten Blendenbereich abgestimmt sein. Wenn bei einer Anwendung eine Blendenzahl von 8 eingesetzt wird, bietet die Verwendung eines für die Blendenzahl 2,8 entwickelten und optimierten Objektivs wenig praktischen Nutzen, es sei denn, zukünftig sind niedrigere Blendenwerte erforderlich. Durch die Verwendung eines Objektivs, das von Anfang an für eine höhere minimale Blendenzahl konzipiert wurde, können erhebliche Kosteneinsparungen erzielt werden, ohne dass die Systemleistung beeinträchtigt wird.
Das Zusammenspiel zählt
Die Bildqualität wird nicht allein durch die Leistung des Objektivs bestimmt, sondern durch das Zusammenspiel von Beleuchtung, Objektiv, Bildsensor und Bildverarbeitungs-Software. Selbst das hochwertigste Objektiv kann eine unzureichende Beleuchtung oder einen Bildsensor, der nicht die erforderliche Auflösung aufweist, nicht kompensieren. Ebenso bietet die Auswahl eines hochauflösenden Sensors wenig Nutzen, wenn das optische System die Bilddetails nicht auflösen kann. Letztlich ist nicht die Leistungsfähigkeit einzelner Komponenten entscheidend, sondern die Fähigkeit des Gesamtsystems, die erforderliche Auflösung zu erreichen und das kleinste relevante Merkmal der Inspektionsaufgabe zuverlässig zu detektieren.
Bei der Entwicklung eines Bildgebungssystems sollten daher alle Komponenten gemeinsam betrachtet und ausgewählt werden. Die Optimierung einer einzelnen Komponente führt häufig nicht zu der besten Gesamtleistung des Systems.
Zusammenfassung
Die erfolgreiche Objektivauswahl beginnt nicht mit einem Produktkatalog. Sie beginnt mit einem genauen Verständnis der Inspektionsaufgabe und ihrer spezifischen Anforderungen. Die Definition wichtiger Parameter wie Sichtfeld, Arbeitsabstand, Auflösung, Licht- und Umgebungsbedingungen zu einem frühen Zeitpunkt im Entwicklungsprozess trägt entscheidend dazu bei, die Auswahl geeigneter Optiken einzuschränken und kostspielige Überarbeitungen zu vermeiden. Eine Objektivauswahl basierend auf den Anwendungsanforderungen und den Spezifikationen, die für die jeweilige Inspektionsaufgabe tatsächlich relevant sind, führt in der Praxis zu robusteren Bildverarbeitungssystemen und zuverlässigeren Ergebnissen.
