Null-Winkel-Sichtfeld: Eliminierung des Parallaxenfehlers
Herkömmliche Linsen haben Winkelsichtfelder (AFOV), bei denen die Vergrößerung mit zunehmender Entfernung zwischen Linse und Objekt abnimmt. So verhält sich das menschliche Sehvermögen und trägt zu unserer Tiefenwahrnehmung bei. Dieses AFOV führt zuParallaxe, auch bekannt als Perspektivfehler, der die Genauigkeit verringert, da sich die beobachtete Messung des Sichtsystems ändert, wenn das Objekt aufgrund der Vergrößerungsänderung bewegt wird (selbst wenn es innerhalb der Schärfentiefe [DOF] bleibt). Telezentrische Objektive eliminieren den für herkömmliche Objektive charakteristischen Parallaxenfehler, indem sie ein konstantes, nicht-winkliges Sichtfeld haben; in jeder Entfernung vom Objektiv hat ein telezentrisches Objektiv immer das gleiche Sichtfeld. SieheAbbildung 1für den Unterschied zwischen einem nicht-telezentrischen und einem telezentrischen Sichtfeld.
Das konstante Sichtfeld eines telezentrischen Objektivs bietet sowohl Vorteile als auch Nachteile für Messanwendungen. Der Hauptvorteil eines telezentrischen Objektivs besteht darin, dass sich seine Vergrößerung in Bezug auf die Tiefe nicht ändert.Figur 2zeigt zwei verschiedene Objekte in unterschiedlichen Arbeitsabständen (WD), die sowohl mit einem Objektiv mit fester Brennweite (nicht telezentrisch) (Mitte) als auch mit einem telezentrischen Objektiv (rechts) aufgenommen wurden. Beachten Sie, dass es bei einem mit einem telezentrischen Objektiv aufgenommenen Bild unmöglich ist zu erkennen, welches Objekt sich vor dem anderen befindet. Bei einem Objektiv mit fester Brennweite ist es ganz offensichtlich, dass das Objekt, das kleiner erscheint, weiter von der Linse entfernt ist.
WährendFigur 2in Bezug auf eine WD-Verschiebung drastisch ist, verdeutlicht aber, wie wichtig es ist, Parallaxenfehler zu minimieren. Bei vielen automatisierten Inspektionsaufgaben werden Objekte abgebildet, die sich durch das Sichtfeld eines Abbildungssystems bewegen, und die Position von Teilen ist selten perfekt wiederholbar. Wenn der WD für jedes vom Objektiv abgebildete Objekt nicht identisch ist, variiert die Messung jedes Objekts aufgrund der Vergrößerungsverschiebung (weitere Informationen zur Vergrößerung und ihrer Definition finden Sie unter „Auflösung“). Ein Bildverarbeitungssystem, das aufgrund eines Vergrößerungskalibrierungsfehlers (der bei einem Objektiv mit fester Brennweite unvermeidlich ist) unterschiedliche Ergebnisse ausgibt, ist eine unzuverlässige Lösung und kann nicht verwendet werden, wenn eine hohe Präzision erforderlich ist. Telezentrische Objektive beseitigen die Sorge um Messfehler, die ansonsten aufgrund von Faktoren wie einem vibrierenden Förderband oder ungenauen Teilepositionen auftreten würden.
Telezentrische Objektive und Schärfentiefe
Es ist ein weit verbreiteter Irrtum, dass telezentrische Objektive grundsätzlich eine größere Schärfentiefe als herkömmliche Objektive haben. Obwohl die Schärfentiefe letztlich immer noch von der Wellenlänge und der Blendenzahl des Objektivs abhängt, ist es wahr, dass telezentrische Objektive aufgrund der symmetrischen Unschärfe auf beiden Seiten der optimalen Fokussierung eine größere nutzbare Schärfentiefe als herkömmliche Objektive haben können. Wenn sich das zu prüfende Teil auf das Objektiv zu oder von ihm weg bewegt, folgt es dem damit verbundenen AFOV (oder Hauptstrahl). Wenn bei einem nicht-telezentrischen Objektiv ein Objekt in den Fokus und wieder aus dem Fokus bewegt wird, verschwimmt das Teil aufgrund der Parallaxe und der mit seinem AFOV verbundenen Vergrößerungsänderung asymmetrisch. Telezentrische Objektive verschwimmen jedoch symmetrisch, da das FOV keine Winkelkomponente aufweist. In der Praxis bedeutet dies, dass Merkmale wie Kanten ihren Schwerpunkt beibehalten; eine genaue Messung kann auch dann durchgeführt werden, wenn sich das Objekt außerhalb der optimalen Fokussierung befindet, solange der Kontrast hoch genug bleibt, damit der vom Bildverarbeitungssystem verwendete Algorithmus ordnungsgemäß funktioniert.
Auch wenn es kontraintuitiv erscheinen mag, kann Unschärfe in bestimmten Anwendungen mit telezentrischen Objektiven vorteilhaft eingesetzt werden. Wenn beispielsweise ein Bildverarbeitungssystem die Mitte eines Stifts finden muss, wie inAbbildung 3aist der Übergang von Weiß zu Schwarz ziemlich scharf, wenn das Objektiv im Fokus ist. InAbbildung 3bist derselbe Pin leicht defokussiert dargestellt.
Betrachtet man eine Darstellung der Bildgraustufen aus einem Linienprofil, das über die Kante des Teils aufgenommen wurde, wie inFigur 4ist die Steigung der Linie bei dem leicht defokussierten Bild viel flacher, da die Pinkante über mehr Pixel verteilt ist. Aufgrund der symmetrischen Unschärfe des telezentrischen Objektivs ist diese Unschärfe immer noch verwendbar, da sich der Schwerpunkt nicht bewegt hat und die erforderliche Menge an Subpixel-Interpolation verringert wird. Dies reduziert die Empfindlichkeit gegenüber Graustufenschwankungen, die durch Sensorrauschen verursacht werden, und ermöglicht eine zuverlässigere und wiederholgenauere Bestimmung der Pinmitte.