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Schnelles Fokussieren bei Stemmer Imaging

Fokusvariable Linsen von Optotune
Schnelles Fokussieren bei Stemmer Imaging

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In vielen Anwendungen müssen Bildverarbeitungssysteme einen häufigen Wechsel des Arbeitsabstandes realisieren. Fokusvariable Linsen, wie sie Optotune herstellt und Stemmer Imaging vertreibt, können für solche Applikationen eine interessante Alternative zu mechanischen Lösungen darstellen. Sie kommen ohne mechanische Antriebe aus und ermöglichen ein Fokussieren über große Abstandsunterschiede hinweg innerhalb von Millisekunden.

Für Bildverarbeitungssysteme kann sich der Abstand zwischen Prüfebene und Kamerasystem im Extremfall von einem Objekt zum nächsten ändern. Dies wird besonders am Beispiel einer Anlage zum Lesen von Adressen auf Paketen deutlich, da deren Höhen laufend variieren können. Um die gewünschten Informationen dennoch stets scharf aufnehmen zu können, muss man den Arbeitsabstand zum Bildverarbeitungssystem oder der Fokus der Optik für jedes Paket einzeln anpassen. Traditionelle optische Systeme erlauben zwar ein Fokussieren je nach erforderlichem Abstand innerhalb gewisser Grenzen, doch müssen dazu eine oder mehrere Linsen entlang der optischen Achse verfahren werden. Dies erfordert Motoren und mechanische Führungen, was nicht nur die Baugröße und Antwortzeit limitiert, sondern auch die Robustheit und Lebenszeit einer Lösung. Fokusvariable Linsen können für solche Anwendungsfälle eine interessante Alternative darstellen.

Aufbau und Funktion
Technische Basis dafür ist die variable Krümmung einer Linse, die aus einer Membran besteht und mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Dementsprechend lässt sich über den Druck innerhalb der Linse die Krümmung einstellen. Eine Änderung des Linsenradius von wenigen Mikrometern kann dabei bereits die gleiche optische Wirkung erzielen, wie das mechanische Verschieben einer Linse um mehrere Zentimeter. Optische Systeme können somit kompakter, oftmals mit weniger Linsen und ohne translatorische Bewegung gestaltet werden. Auf die Entwicklung solcher fokusvariablen Linsen spezialisiert hat sich das Schweizer Unternehmen Optotune: Die Ansteuerung der elektrooptischen Bauelemente wird stromgesteuert über einen elektromagnetischen Aktuator realisiert. Die Brechkraftänderung – in Dioptrien gemessen – verhält sich dabei linear zum eingeprägten Strom, ist reproduzierbar und frei von Hysterese.
Allerdings variiert das Verhältnis zwischen Brechkraft und Strom aufgrund von Produktionstoleranzen von Linse zu Linse, und auch Temperaturschwankungen beeinflussen die Ansteuerung. Um trotzdem eine akkurate Steuerung der Brechkraft zu ermöglichen, enthalten die Linsen von Optotune einen Temperatursensor, auf dem zusätzlich die Kalibrierdaten der jeweiligen Linse gespeichert sind. Mit dem ebenfalls angebotenen Stromtreiber lässt sich somit eine absolute Genauigkeit von typischerweise 0,1 Dioptrien erreichen.
Flexibel und schnell
Die Kommunikation mit dem Treiber erfolgt über eine USB-Verbindung und ein serielles Protokoll, das in diversen Programmiersprachen implementiert werden kann. Der Quellcode für die Ansteuerung ist in C# und Labview verfügbar. Ein alternativer Stromtreiber mit GigE-, RS232- und Analogschnittstellen ist von der britischen Firma Gardasoft erhältlich. Zur Vereinfachung der Systemintegration für den Anwender arbeitet Optotune mit diversen Kameraherstellern und Softwarefirmen im Bereich Bildverarbeitung zusammen, um eingebaute Autofokusfunktionen realisieren zu können.
Flüssiglinsen kommen zudem komplett ohne teure, mechanische Antriebe aus, erlauben ein robusteres Design und ermöglichen ein Fokussieren über große Unterschiede im Arbeitsabstand hinweg innerhalb von Millisekunden. Außerdem können sie Milliarden von Zyklen gewährleisten und lassen sich komplett abdichten, sodass kein Staub eintreten kann. Eine weitere interessante Eigenschaft der fokusvariablen Linsen ist die Verwendbarkeit verschiedener optischer Materialien. Besonders für polychromatische abbildende Optiken bietet sich eine Flüssigkeit mit tiefer Dispersion mit einem Brechungsindex von 1,30 und einer Abbe-Zahl von 100 an. Bei solchen Linsen tritt praktisch keine chromatische Aberration auf. Dementsprechend lassen sie sich auch mit handelsüblichen Objektiven zu hochqualitativen Autofokussystemen kombinieren, ohne dass dabei auf zusätzliche Maßnahmen zur Farbkorrektur geachtet werden muss.
Anwendungsmöglichkeiten
Eine der derzeit am häufigsten auftretenden Anwendungen der elektrooptischen Bauelemente von Optotune ist beispielsweise das Lesen von 2D-Codes – unter anderem auf Objekten unterschiedlicher Größe in der Logistik-, Pharma- oder Automobilbranche. Während 1D-Codes mit einem Laser gescannt werden können, erfordert das Lesen von 2D-Codes eine Kamera. Diese eröffnet zudem zusätzliche Inspektions- und Vermessungsfunktionen. Fokusvariable Linsen ermöglichen hier eine erhebliche Ausweitung des Arbeitsbereichs von unendlich bis auf wenige Millimeter. Im typischen optischen Aufbau wird die Linse dabei direkt vor einem Objektiv mit fester Brennweite montiert. Je nachdem, ob dem System die Distanz zum Objekt bekannt ist, lässt sich der Arbeitsabstand etwa in Form eines offenen Regelkreises direkt steuern, das System weiß aufgrund der Programmierung, welches Objekt als nächstes geprüft wird, oder die Distanzinformation wird von einem geeigneten Sensor bereitgestellt. Sollte die Distanz überhaupt nicht bekannt sein, kann die Linse auch in einem Oszillationsmodus betrieben werden. Bei tiefen Frequenzen von beispielsweise 5 Hz lassen sich so mehrere Bilder mit jeweils unterschiedlichen Arbeitsabständen aufnehmen, bis ein Code erfolgreich gelesen wurde. Bei hohen Frequenzen bis zu einigen 100 Hz lässt sich während der Verschlusszeit auch der ganze Arbeitsbereich durchstimmen. Daraus resultiert ein Bild mit erweiterter Tiefenschärfe. Der Kontrast ist allerdings vermindert, da sich die einzelnen Bilder mit unterschiedlichem Fokus während der Verschlusszeit additiv überlagern.
Darüber hinaus ist auch die Inspektion von optischen Komponenten mit mehreren Oberflächen wie Kameralinsen von Mobiltelefonen oder das Zählen von Partikeln in einem dreidimensionalen Flüssigkeitsvolumen mit Optotune-Linsen möglich. Für Anwendungen, die eine hohe Vergrößerung erfordern, wird die fokusvariable Linse in der Regel zwischen Objektiv und Tubuslinse platziert. Der erreichbare Z-Bereich hängt dabei vom Vergrößerungsfaktor ab. Ein typisches System erreicht bei einer fünffachen Vergrößerung einen Z-Bereich von 16 mm. Wird die fokusvariable Linse von einer 12-Bit-Stromquelle betrieben, die 4096 Schritte erlaubt, ist eine axiale Auflösung von 4 µm erreichbar. Ein Anwendungsbeispiel eines solchen Systems ist etwa die Prüfung von Leiterplatten bei der es schwierig ist, über den gesamten Prüfbereich fokussiert zu bleiben.
Stemmer Imaging vertreibt die fokusvariablen Linsen von Optotune bereits seit einiger Zeit. In Kombination mit allen weiteren erforderlichen Komponenten wie den geeigneten Beleuchtungen, Optiken und Kameras, dem Stromtreiber von Gardasoft sowie hilfreichen Servicedienstleistungen bieten die Bildverarbeitungsspezialisten somit alles aus einer Hand, um die Nutzung dieser Technologie zu vereinfachen. Dies ist unter anderem auch vor dem Hintergrund der Industrie 4.0 wichtig: Wer kleine Losgrößen bis zur Losgröße Eins fertigen will, muss seine Produktion mit Lösungen ausstatten, die schnell und flexibel auf sich ändernde Geometrien der Prüfteile reagieren können. ik
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