Shenzhen V-Plus Technologies Co., Ltd.

3D-Bildgebung

Telezentrische Objektive führen präzise Messungen durch

Telezentrische Objektive verleihen Bildverarbeitungssystemen ein zusätzliches Maß an Präzision.

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Telezentrische Objektive verleihen Bildverarbeitungssystemen ein zusätzliches Maß an Präzision.

Von Andrew Wilson, Herausgeber

In vielen Bildverarbeitungssystemen, wie sie beispielsweise bei der Halbleiterinspektion verwendet werden, müssen präzise wiederholbare Messungen konsistent durchgeführt werden. Um dies sicherzustellen, müssen sich Systementwickler teureren optischen Systemen zuwenden, die auf telezentrischen Linsen basieren, mit denen diese Teile abgebildet werden können. Viele der Gründe für die Wahl telezentrischer Objektive ergeben sich aus den Einschränkungen herkömmlicherer Linsensysteme.

Wenn sich ein Objekt beispielsweise nur geringfügig innerhalb der Schärfentiefe eines herkömmlichen Linsensystems bewegt, kommt es zu einer damit verbundenen Vergrößerungsänderung. In der Vergangenheit wurden Vergrößerungsänderungen aufgrund von Objektverschiebungen mit Hilfe einer zusätzlichen Kamera oder eines Tiefensensors kalibriert, der den Abstand zwischen Objektiv und Objekt verfolgt. Die Verwendung eines telezentrischen Objektivs kann solche Vergrößerungsänderungen erheblich reduzieren oder sogar eliminieren und daher die Notwendigkeit einer zusätzlichen Kamera und Vorverarbeitung der Bilddaten beseitigen, die andernfalls erforderlich sein könnten, um Vergrößerungsfehler zu korrigieren.

Perspektiv- oder Parallaxenfehler können auch durch die Verwendung von telezentrischen Objektiven beseitigt werden. In herkömmlichen optischen Systemen erscheinen nähere Objekte relativ größer als solche, die weiter entfernt sind, da sich die Vergrößerung eines Objekts mit seinem Abstand von der Linse ändert. Telezentrische Linsen korrigieren diesen Parallaxenfehler jedoch optisch, so dass Objekte unabhängig von einem bestimmten Abstand von der Linse dieselbe wahrgenommene Größe behalten.

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Wenn zur Abbildung von 3D-Objekten Standardoptiken verwendet werden, erscheinen entfernte Objekte kleiner als weiter entfernte Objekte. Wenn ein Objekt wie ein zylindrischer Hohlraum abgebildet wird, scheinen die oberen und unteren kreisförmigen Kanten konzentrisch zu sein, und die Innenwände des Zylinders werden abgebildet (übliche Optiken verhalten sich wie menschliche Augen, wenn sie in eine Tasse oder ein Glas schauen). . Bei Verwendung einer telezentrischen Optik verschwinden jedoch die Unterkante und die Innenwände, und daher bietet die telezentrische Linse eine 2D-Ansicht eines 3D-Objekts, sodass das Bildverarbeitungssystem mehr oder weniger wie eine CAD-Software funktioniert (siehe Abb. 1) ).

Vergrößerung ändert sich

Die Telezentrizität definiert, wie sich die Vergrößerung eines Objekts innerhalb des Sichtfelds (FOV) mit der Objektentfernung ändert. Daher zeigen Objekte, die mit einer Linse mit langer Brennweite abgebildet werden, bei gleichem Sichtfeld eine geringere Vergrößerungsänderung als Objekte, die mit einer Linse mit kurzer Brennweite abgebildet werden. Da telezentrische Objektive so wirken, als hätten sie eine unendliche Brennweite, ist die Vergrößerung unabhängig von der Objektentfernung. Obwohl Objekte, die näher oder weiter vom Objektiv entfernt sind, im Fokus variieren können, ist die Bildgröße des Objekts konstant.

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Der Grad der Telezentrizität einer bestimmten Linse wird anhand des Hauptstrahls oder des telezentrischen Winkels gemessen (siehe Abb. 2). Während handelsübliche Linsen telezentrische Winkel von 10 ° oder mehr aufweisen können, haben telezentrische Linsen Hauptstrahlwinkel von weniger als 0,1 °. Um dieses Maß an Telezentrizität zu erreichen, muss das Zielelement größer sein als das Sichtfeld des abzubildenden Objekts, wodurch solche Objektive größer und damit teurer werden.

Bei der Auswahl eines telezentrischen Objektivs für eine bestimmte Bildverarbeitungsanwendung müssen Systemintegratoren sowohl die von den einzelnen Herstellern verwendete Terminologie als auch die Funktionsprinzipien hinter jedem Objektivdesign verstehen. Im Allgemeinen werden telezentrische Linsen als Objektraum-, Bildraum- oder doppelt- oder bi-telezentrische Designs geliefert (siehe 3). Während viele Hersteller diese Objektivtypen anbieten, werden telezentrische Bildraumobjektive häufiger in Bildprojektionsgeräten und selten in Bildverarbeitungsanwendungen verwendet.

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Bei telezentrischen Linsen verläuft der Hauptstrahl durch die Mitte der Eintritts- oder Austrittspupille auf einer oder beiden Seiten der Linse parallel zur optischen Achse, je nachdem, welcher Linsentyp verwendet wird. In Bildverarbeitungssystemen ist der objektseitige Telezentriker der am häufigsten verwendete dieser Linsentypen. Bei diesen Konstruktionen sind die Hauptstrahlen parallel zum gemessenen Objekt, und das Linsensystem wird verwendet, um das Bild auf eine CCD- oder CMOS-Kamera zu fokussieren. Da diese Linsen nur objektzentrisch telezentrisch sind, sind weniger Linsenelemente erforderlich als bei biazentrischen Linsen, was zu geringeren Kosten führt.

Für 2 / 3- oder 1/2-Zoll. Edmund Optics bietet in seiner Techspec Gold-Serie zwei Serien objektseitiger telezentrischer Objektive an. Während der 2/3-in. Die Serie umfasst fünf Objektive zur Verwendung mit 2/3-Zoll. oder kleinere Sensoren, die 1/2-in. Die Serie umfasst vier Objektive zur Verwendung mit 1/2-Zoll. oder kleinere Sensoren. Die 1/2-in. Serie maximiert die Feldabdeckung durch Anpassen der größten FOV-Werte für das 2/3-Zoll. Serie, die größere Felder mit kleineren Kameras ermöglicht. Diese Linsen ergeben eine konstante Vergrößerung über eine definierte Schärfentiefe und bieten eine Telezentrizität von weniger als 0,2 ° im angegebenen Arbeitsabstand.

Objekt- und Bildräume

Viele telezentrische Objektivobjektive werden mit festen Brennweiten angeboten. In einigen Bildverarbeitungsanwendungen kann es jedoch erforderlich sein, die Größe des aufgenommenen Bildes optisch zu erhöhen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, bieten einige Unternehmen telezentrische Zoomobjektive an, mit denen der Benutzer die Brennweite an der Bildstelle ändern kann, während die Telezentrizität auf der Objektseite des Objektivs erhalten bleibt. Um dies zu erreichen, müssen telezentrische Zoomobjektivsysteme die Front-End-Optik und den Anschlag zwischen dem vorderen und dem hinteren Objektiv automatisch mit unterschiedlichen Raten bewegen. Da diese Linsensysteme mechanisch ausgefeilter sind als Objektive mit fester Brennweite, werden Zoom-Telezentren nur von wenigen Unternehmen angeboten.

Das 12-fache telezentrische Zoomobjektivsystem von Navitar bietet beispielsweise eine Telezentrizität von weniger als 0,3 ° bei konstanter Perspektive und Vergrößerung. Mit einer Feldabdeckung von 50 bis 4 mm bei einem Arbeitsabstand von 188 mm bietet der 12x Telezentriker einstellbare Brennweiten über einen Vergrößerungsbereich von 0,16x bis 1,94x.

In einigen Fällen, insbesondere für hochpräzise Messungen, müssen bi-telezentrische Linsen verwendet werden, die sowohl in der Objekt- als auch in der Bildebene Telezentrizität bieten, um die Auswirkungen von optischen Aberrationen und geometrischen Verzerrungen zu verringern. Da doppelte telezentrische Objektive unendlich viele Brennweiten haben, variiert die Bildgröße aufgrund der Position des Sensors nicht über das Sichtfeld. Somit können bi-telezentrische Designs eine größere Vergrößerungstiefe und einen größeren Bereich aufweisen, über den sich das abzubildende Objekt bewegen kann, während die gleiche Vergrößerung beibehalten wird.

Dies ist besonders wichtig, da CCD- und CMOS-Sensoren mit immer kleineren Pixeln weiterentwickelt werden. Um das Licht auf einzelne Pixel zu fokussieren, integrieren Imager-Anbieter jetzt Mikrolinsen-Arrays in ihre Sensoren. Diese Linsen sind über jedem einzelnen Pixel angeordnet und am effektivsten, wenn die einfallenden Lichtstrahlen 5 ° oder weniger von der Normalen abweichen. Aus diesem Grund können bi-telezentrische Linsen, bei denen Telezentrizität sowohl auf der Objekt- als auch auf der Bildseite der Linse besteht, einfallendes Licht effektiver fokussieren. Obwohl diese Linsen teurer sind als einzelne objektseitige telezentrische Linsen, erhöhen sie die Genauigkeit der Objektmessung.

Ein weiterer Vorteil von bi-telezentrischen Objektiven ist die gleichmäßige Beleuchtung. Aufgrund des besonderen Weges der Strahlen in dem Bildraum, in dem die Strahlkegel mit der gleichen Neigung auf die Detektoroberfläche treffen, werden die Pixel über die gesamte Detektorgröße mit der gleichen Intensität beleuchtet. Diese Funktion ist nicht sehr bekannt, kann jedoch für Anwendungen sehr nützlich sein, bei denen die Farbhomogenität kontrolliert werden muss.

Objektive werden von einer Reihe von Unternehmen angeboten, darunter Navitar, Schneider Optics und Sill Optics von V-Plus Technologies. Die bilateralen telezentrischen Xenoplan-Objektive von Schneider Optical sind beispielsweise für die Verwendung mit 2/3-Zoll ausgelegt. Formatieren Sie CCD-Kameras und verfügen Sie über einstellbare Iris- und Fokussteuerungen. Diese Objektive mit fester Brennweite bestehen aus fünf verschiedenen Modellen mit fester Vergrößerung: 1: 1, 1: 2, 1: 3, 1: 4 und 1: 5.

Wie Rolf Wartmann von Schneider Optics betont, entstehen beim Defokussieren asymmetrische oder driftende Bilder, wenn bi-telezentrische Linsen nicht als Präzisionsmesslinsen verwendet werden. Dies führt zu einer ungenauen Erkennung von Kanten, so dass der theoretisch mögliche Genauigkeitsgrad eindeutig nicht erreicht wird. Bilateral telezentrische Objektive weisen diese Mängel nicht auf und ermöglichen so eine Annäherung an den theoretisch möglichen Genauigkeitsgrad (siehe www.schneiderkreuznach.com/knowhow/telezentrie_e.htm).

Fresnellinsen

Telezentrische Objektivlinsensysteme müssen ein Frontelement aufweisen, das mindestens so groß ist wie das Sichtfeld. Aus diesem Grund kann ein herkömmliches telezentrisches Objektivobjektiv sogar ein 16-Zoll-Objektiv betrachten. Feld ist sowohl sehr teuer als auch sehr schwer (siehe Abb. 4). Um dies zu überwinden, haben Unternehmen wie LightWorks telezentrische Objektive entwickelt, die Fresnellinsen enthalten, um Gewicht, Kosten und Länge zu reduzieren. Telezentrische Linsen auf Fresnel-Basis werden normalerweise so konstruiert, dass das vordere Element einer Fresnel-Form einer plankonvexen oder plankonkaven Linse ähnelt, die in schmale Ringe geschnitten und abgeflacht ist. Typischerweise besteht die Fresnellinse aus dünnem, gerilltem geformtem Kunststoff, und das hintere Element oder die hinteren Elemente sind mit herkömmlicher Optik konstruiert.

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Die Verwendung von Fresnellinsen als Teil eines telezentrischen Systems bietet einen großen Vorteil: Sie können so gebaut werden, dass sie viel größere Sichtfelder aufnehmen können, als dies sonst praktisch oder sogar möglich wäre. Die praktische Grenze eines herkömmlichen telezentrischen Objektivs liegt wahrscheinlich im Bereich von etwa 12 bis 16 Zoll. Light Works hat telezentrische Fresnel-basierte Systeme für Sichtfelder mit einer Größe von bis zu 42 Zoll entwickelt und gebaut.

Trotz ihrer Vorteile sind Fresnellinsen-basierte Systeme begrenzt. Da Fresnellinsen keine Farbkorrektur aufweisen, ist es normalerweise am besten, sie mit nahezu monochromatischem Licht wie LED-Quellen zu verwenden. Andernfalls besteht die Wahrscheinlichkeit, dass Farbsäume um abgebildete Objekte herum auftreten. Im Vergleich zu herkömmlichen Objektiven ist die Bildqualität einer Fresnellinse bestenfalls fair und möglicherweise keine gute Wahl für hochpräzise Messanwendungen oder zur Erkennung kleiner Defekte. Der Lichtverlust einer Fresnellinse ist aufgrund der Lichtstreuung an den Rillen der Linse und des Fehlens von Antireflexionsbeschichtungen auf der Linse selbst ebenfalls relativ groß. Für Anwendungen mit niedrigerer Auflösung kann eine telezentrische Linse auf Fresnel-Basis eine sehr praktische und kostengünstige Lösung sein.

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Interessanterweise behauptet Canon, die mit solchen Objektiven verbundenen Probleme mit seiner diffraktiven Optik (DO) -Technologie überwunden zu haben, bei der zwei einschichtige diffraktive optische Elemente verwendet werden, deren Beugungsgitter von Angesicht zu Angesicht miteinander verbunden sind (siehe Abb. 5). Da längere Wellenlängen aufgrund des großen Beugungswinkels ein Bild näher an der Linse bilden und kürzere Wellenlängen aufgrund des kleineren Beugungswinkels ein weiter von der Linse entferntes Bild bilden, werden durch Zusammenfügen der DO-Elemente mit herkömmlicher Glasoptik chromatische Aberrationen aufgehoben (siehe Canon) Webseite). Leider hat der Einsatz dieser Technologie noch keinen Weg in telezentrische linsenbasierte Designs gefunden.

Perizentrische Optiken bieten 360 ° -Ansichten

Viele Bildverarbeitungssysteme werden verwendet, um mehr als eine Fläche eines Stücks zu inspizieren, und in vielen Fällen ist eine 100% ige Inspektion einer zylindrischen oder kugelförmigen Oberfläche erforderlich. In der Vergangenheit wurden diese Inspektionen mit einer Reihe von Kameras durchgeführt, die um das Teil herum angeordnet waren, wobei jede Kamera ein Bild einer bestimmten Seite oder eines bestimmten Teils des Teils aufzeichnete.

Leider erhöht dieser Ansatz die Systemkosten aufgrund der Anzahl der erforderlichen Kameras. Außerdem muss das abzubildende Objekt präzise positioniert werden, da jede Kamera das Stück in einem bestimmten Winkel abbilden muss. Um diese Probleme zu überwinden, wurden optische Ansätze entwickelt, so dass nur eine Kamera benötigt wird, um ein Bild aller Merkmale einer Oberfläche zu erhalten.

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Diese Linsen werden aufgrund des Strahlengangs innerhalb des Objektivs als perizentrisch bezeichnet. Die Aperturpupille wird vom Objektraum aus gesehen, als würde sie sich um die periphere Zone der vorderen optischen Gruppe bewegen. Sie benötigen nur eine Kamera, um das Bild sowohl der Vorderseite eines Objekts als auch seiner umgebenden Seiten aufzunehmen. Wenn die Linse ein zylindrisches Objekt abbildet, werden sowohl die Vorderfläche als auch die Zylinderfläche gleichzeitig abgebildet.

Der Vorteil dieses Ansatzes, der häufig zur Inspektion von Teilen wie Glasflaschen, Aluminiumdosen und anderen Konsumgüterverpackungen verwendet wird, besteht darin, dass alle Merkmale des Objekts in demselben Rahmen abgebildet und mit einem einzigen Algorithmus verarbeitet werden können, um eine Wohnung zu erhalten Darstellung der zylindrischen Fläche.