Flüssiglinsen in der Bildverarbeitung
Wie Flexibilität und Funktionalität in der industriellen Bildverarbeitung durch den Einsatz von Flüssiglinsen optimiert werden können
Die Welt der industriellen Bildverarbeitung ist schnelllebig und unterliegt einem stetigen Wandel. Regelmäßig werden neue Technologien entwickelt. Neue Designwerkzeuge und fortschrittliche technische Lösungen werden unglaublich schnell vermarktet, um Automatisierungsprobleme besser lösen zu können. Allein im vergangenen Jahrzehnt wurden sowohl Sensoren als auch Software und Beleuchtungssysteme für den Markt der industriellen Bildverarbeitung rapide weiterentwickelt. Pixel werden stets kleiner und die Sensoren immer größer. Softwareplattformen werden immer genauer und Beleuchtungen heller und effizienter. Zusätzlich werden bildgebende Optiken, die die Information des Prüfobjektes auf die Fokusebene übertragen, ebenfalls weiterentwickelt, um einen höheren Kontrast zu erzielen und die Messgenauigkeit zu steigern.
Eine der interessantesten Entwicklungen der Optikbranche, die über die letzten Jahre stark ausgereift ist, sind Flüssiglinsen. Flüssiglinsen können innerhalb von Millisekunden fokussieren und nachfokussieren. Das macht sie zu einem Designwerkzeug, das in der heutigen Welt der Automatisierung, in der Geschwindigkeit und Durchsatz direkt proportional zu Effizienz und Cash-Flow stehen, nicht zu unterschätzen ist. Flüssiglinsen bieten im Bereich der industriellen Bildverarbeitung bei Anwendungen, die zuvor wenn überhaupt nur mit mechanischer Motorisierung gelöst werden konnten, viele Vorteile. Sie ermöglichen es dem Anwender die Fokusebene innerhalb von Millisekunden anzupassen, was bei Anwendungen wie beispielsweise Barcodelesegeräten, bei denen die Prüfobjekte oft unterschiedliche Größen und Abstände zur Linse haben, von großem Nutzen ist. Vor dem Einsatz von Flüssiglinsen gab es für diese Anwendungen nur wenige Lösungsansätze: Entweder sperrige, motorisierte Objektive, die Verschiebung von Kamera oder Objekt oder Objektive mit einer großen Schärfentiefe. Letzteres erfordert häufig eine Erhöhung der Blendenzahl, was Kompromisse hinsichtlich der Auflösung bedeutet, oder den Einsatz eines Objektivs mit kurzer Brennweite und damit einem nicht optimalen Bildwinkel. Des Weiteren können Flüssiglinsen, anders als die meisten mechanischen Systeme, Milliarden Zyklen ohne jegliche Verschleißerscheinungen durchlaufen. Abbildung 1 zeigt die Funktionsprinzipien einer typischen Flüssiglinse, bei der ein Schwingspulenaktuator Kraft auf eine Membran ausübt, wodurch sich die Linse krümmt und die Brechkraft verändert. Eine Möglichkeit Flüssiglinsen in die Optik von industriellen Bildverarbeitungssystemen zu integrieren, besteht darin, bereits vorhandene Objektive mit Festbrennweite nachzurüsten. Im Gegensatz zu einem Objektiv mit fest integrierter Flüssiglinse, kann das Nachrüsten ein wenig Experimentierfreude erfordern, um die beste Konfiguration zu ermitteln. Dennoch ist es eine praktikable Lösung, die die Flexibilität dieses innovativen Designansatzes verdeutlicht. Um eine optimale Bildqualität zu erreichen, müssen mehrere unterschiedliche Dinge berücksichtigt werden. Dazu gehören die Platzierung der Flüssiglinse und die Brennweite des Objektivs.
Systemdesign und relevante Anforderungen
Bei der Nachrüstung eines handelsüblichen Objektivs, kann die Flüssiglinse an nur zwei Stellen eingebaut werden, entweder vor dem Objektiv (nahe am Objekt) oder hinter dem Objektiv (nahe am Sensor). Die heute erhältlichen Flüssiglinsen unterliegen noch gewissen Einschränkungen hinsichtlich ihres Durchmessers. Die freie Apertur elektrisch fokussierbarer Linsen liegt momentan bei höchstens 10mm. Dies ist völlig ausreichend, wenn die Flüssiglinse vor Mikrovideolinsen (M12-Objektive) platziert wird. Doch bei den meisten industriellen Bildverarbeitungsobjektiven ist der Durchmesser der Frontlinse größer als 10mm, wodurch es zu Vignettierung, dem Blockieren von Strahlen durch das optische System, kommen kann. Da die hinterste Linse des Objektivs häufig kleiner ist als die Frontlinse, kann der Eindruck entstehen, dass die Flüssiglinse besser hinter dem Objektiv platziert werden sollte. Allerdings ist dies meistens nicht der Fall. Die Platzierung zwischen Objektiv und Kamera verändert das Auflagemaß, wodurch das System eventuell gar nicht mehr fokussiert werden kann. Wenn die hintere Brennweite bedeutend größer ist als der durch die Flüssiglinse eingeführte Abstand zwischen Kamera und Objektiv, können jedoch großartige Ergebnisse ohne Vignettierung erzielt werden. Bei dieser Konfiguration funktioniert die Flüssiglinse wie ein Abstandsring, der die Fokusebene näher an die Kamera heranführt. Abbildung 2 zeigt, dass ein 25mm Objektiv die besten Ergebnisse liefert, wenn sich die Flüssiglinse vor dem Objektiv befindet, während ein Vergrößerungsobjektiv am besten funktioniert, wenn sich die Flüssiglinse hinter dem Objektiv befindet. Wird die Flüssiglinse vor einem Objektiv platziert, müssen zwei weitere Elemente beachtet werden: der Bildwinkel und die Blendenzahl. Der Bildwinkel eines Objektivs wird sowohl durch die Brennweite des Objektivs als auch durch die Sensorgröße der Kamera bestimmt. Dabei wird von einem geringen Verzeichnungsgrad ausgegangen. Je größer die Brennweite des Objektivs und je kleiner der Sensor, desto kleiner der Bildwinkel. Objektive mit einer größeren Brennweite sind vorteilhafter, wenn sie mit Flüssiglinsen verwendet werden, einerseits da sie aufgrund ihres kleineren Bildfeldes mehr Lichtstrahlen unvignettiert durch das Objektivsystem lassen, und andererseits aufgrund der hyperfokalen Distanz.
Design-Tipp:
Beginnen Sie bei der Integration einer Flüssiglinse in Ihr Bildverarbeitungssystem unbedingt mit einem hochauflösenden, aberrationsarmen Objektiv, um die bestmögliche Bildqualität zu erhalten! Für alle Objektive mit Festbrennweite lässt sich eine hyperfokale Distanz berechnen, wenn das Objektiv auf eine unendliche Entfernung fokussiert ist. Die hyperfokale Distanz eines Objektivs entspricht der nächstliegenden Fokusebene, ab der alle weiter entfernten Objekte ein bestimmtes Schärfekriterium erfüllen. Dieses Schärfekriterium für die hyperfokale Distanz entspricht im Allgemeinen einer Auflösung und einem Kontrastwert, die für die spezifische Anwendung, bei der das Objektiv zum Einsatz kommt, wichtig sind. Wird ein Objektiv auf die hyperfokale Distanz fokussiert, erstreckt sich die Schärfentiefe von jener Fokusebene bis zu unendlichem Abstand vom Objektiv. Bei rein paraxialer Betrachtung reicht der Schärfentiefebereich bis auf den halben hyperfokalen Abstand an das Objektiv heran. Vergleicht man die hyperfokale Distanz zweier Objektive mit unterschiedlicher Brennweite zeigt sich, dass der minimale Arbeitsabstand, bei dem die Hyperfokal-Bedingung erfüllt ist, für das Objektiv mit der kürzeren Brennweite geringer ist. Infolgedessen ist der Nutzen von Flüssiglinsen bei Objektiven mit kleiner Brennweite wesentlich geringer, da nur in einem schmaleren Abstandsbereich überhaupt nachfokussiert werden muss. Bei Objektiven mit größerer Brennweite hingegen können Objekte bei unterschiedlichsten Arbeitsabständen optimal fokussiert werden, während unwichtige Teile des Bildfeldes nicht fokussiert werden. Das Nachrüsten von Objektiven mit Flüssiglinsen erlaubt zwar die Fokussierung von sehr kurzen bis zu unendlich langen Abständen, allerdings ist es wichtig den Arbeitsbereich der Flüssiglinsen zu optimieren. Flüssiglinsen können sowohl als Fenster ohne jede Brechkraft fungieren, als auch Brennweiten im Bereich von 50mm oder 20 Dioptrien erreichen. Je kleiner die eingestellte Brennweite der Linse, desto stärker ist die Krümmung, die auf die Membran übertragen wird, um das Licht zu fokussieren. Bei sehr kurzen Brennweiten kann die starke Krümmung dazu führen, dass vermehrt Bildfehler in Form von sphärischer Aberration und Bildfeldwölbung auftreten. Wird ein Objektiv mit Festbrennweite mit einer Flüssiglinse nachgerüstet, sollte im Sinne optimaler Bildqualität darauf geachtet werden, den gewünschten Arbeitsabstand mit der minimal erforderlichen Krümmung der Flüssiglinse zu erreichen. Gleichzeitig wird durch die Minimierung der Krümmung auch der Energieverbrauch der Flüssiglinse reduziert. Das Auftreten chromatischer Aberrationen kann ebenfalls ein Problem darstellen. Glücklicherweise gibt es jedoch Flüssiglinsen mit sehr geringer Dispersion (Abbe-Zahl größer als 100), die mit handelsüblichen Objektiven kombiniert werden können, ohne Farbkorrekturen vornehmen zu müssen.
Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse einer Kombination aus einem 25mm Objektiv und einer Flüssiglinse, die entsprechend optimiert wurde und somit hochauflösende Bilder erzeugt. Zuletzt muss auch die eingestellte Blendenzahl des Objektivs berücksichtigt werden, um die Vignettierung weiter abzuschwächen und die Schärfentiefe noch besser kontrollieren zu können. Flüssiglinsen sind bei herausfordernden Bildverarbeitungsanwendungen ein überaus wirksames Designwerkzeug. In dem relativ kurzen Zeitraum seit ihrer Markteinführung wurden Flüssiglinsen stark weiterentwickelt, wobei die Technologie auch in Zukunft immer mehr an Bedeutung gewinnen wird durch die Einführung von größeren freien Aperturen. Das Wissen darüber wie Flüssiglinsen selbst, aber auch in Kombination mit Objektiven, am besten einzusetzen sind, ist der Schlüssel, um in der Welt der industriellen Bildverarbeitung und Automatisierung Lösungen anbieten zu können, die dem neuesten Stand der Technik entsprechen.
