Mit 70kHz im Fokus
Extrem schnelle varifokale Linse mit 3D-Funktionen
Die Taglens von Mitutoyo ist eine extrem schnelle varifokale Linse, die innerhalb von ca. 7µs zwischen ihrem positiven und negativen Maximalwert oszilliert. Durch die Integration der Linse in optische Systeme ist eine ultra-schnelle Autofokus-Funktion ohne mechanische Bewegung möglich, die zusätzlich die Erfassung von 3D-Daten erlaubt.
Schnelle Erfassung von 3D-Daten durch den Einsatz der Taglens in Kombination mit einer Speedhigh-Kamera.

Bei der Taglens handelt es sich um eine spezielle Form einer Gradientenlinse, welche ihre optischen Eigenschaften nicht durch gewölbte Oberflächen, sondern durch einen zu ihrem Zentrum hin kontinuierlich ansteigenden (Sammellinse) oder abfallenden (Zerstreuungslinse) Brechungsindex erhält. Die Besonderheit der Taglens (Tunable Acoustic Gradient Index Lens) ist, dass eine räumliche und zeitliche Variation des Brechungsindex durch eine akustische Welle in ihrem Inneren erzeugt wird. Das optische Material der Linse ist dabei nicht fest, sondern eine Flüssigkeit auf Silikonbasis, in der durch einen umliegenden Piezoring eine stehende Welle ausgebildet wird. Diese Welle sorgt für eine Dichteverteilung und somit einen radialen, dynamischen Gradienten des Brechungsindex innerhalb der Flüssigkeit. Dabei beschreibt die Verteilung des Brechungsindex im Zentrum der Linse eine Besselfunktion, wodurch die Taglens die optimalen optischen Eigenschaften einer asphärischen Linse aufweist.

Das Silikonöl muss für den Einsatz in der Linse verschiedene Kriterien erfüllen. Neben besonderen Eigenschaften hinsichtlich der Manipulation des Brechungsindex durch eine akustische Welle, muss es auch eine geringe Absorption in einem möglichst breiten Wellenlängenbereich aufweisen. Hier gibt es neben dem Standard-Silikon, welches für den sichtbaren Bereich optimiert ist, bereits Entwicklungen hin zu Varianten, die im NIR-Spektrum transparent sind, um die Linsen in einem größeren Anwendungsgebiet nutzen zu können.

Integration in optische Systeme

Die stehende Welle in dem Silikonöl oszilliert mit einer Frequenz von 70kHz. Somit ist die Taglens eine Linse, dessen Brennweite innerhalb von ca. 7µs zwischen ihrem positiven und negativen Maximalwert oszilliert. Integriert in ein optisches System führt dies zu einem sich ultra-schnell verschiebenden Fokuspunkt. Die Integration der Taglens in verschiedenste optische Aufbauten reicht von der Beobachtung kleinster Details in Mikroskopaufbauten über Systeme für die Inline-Kontrolle in der Serienfertigung bis hin zu Laseranwendungen. Durch die Ergänzung der Taglens mit der Mitutoyo Pulsed Light Source (PLS), einer mit der Linse synchronisierten, schnell-gepulsten Lichtquelle, kann der Funktionsumfang der Linse noch einmal erweitert werden. So ermöglicht dies die Bilderfassung auf einzelne Bereiche (Phasen) während einer Oszillation des Brechungsindex zu beschränken und somit auf einzelne Ebenen zu fokussieren. Durch den Einsatz einer gepulsten Lichtquelle sind auch die neuen 3D- und Autofokusfunktionen möglich.

Neue 3D- und Autofokus-Funktionen

Durch die stetige Weiterentwicklung sowohl der Hardware als auch der Taglens-Steuersoftware, wird das Einsatzgebiet der Linse kontinuierlich erweitert. Neue Funktionen können durch ein SDK in die Kundensoftware integriert werden. Somit kann nun mit einem einzigen Befehl die Autofokus-Funktion eingesetzt werden. Hierzu wird der Fokusabstand durch Anpassung der Phase der gepulsten Beleuchtung automatisch von Bild zu Bild verschoben und ein sehr schneller Autofokus ohne den Einsatz mechanischer Bauteile realisiert. Diese Funktion ist überall dort von Vorteil, wo in kürzester Zeit fokussiert werden muss und mechanische Bauteile stark belastet werden würden, oder schwer zugänglich sind.

Durch den Einsatz der Linse in Kombination mit dem Mitutoyo Einbaumikroskop VMU-T1, können Höhen absolut bestimmt werden. Ähnlich zu dem Vorgehen bei einem Autofokus werden zunächst mehrere Bilder zu leicht verschobenen Phasen aufgenommen. Durch die vorangegangene Einmessung des optischen Systems kann nun jeder Phase eine Fokusposition zugeordnet und durch ein anschließendes Focus-Stacking ausgewertet werden. Hierbei wird jedem Bildbereich eine Höhe zugeordnet. Die Höhenwerte können anschließend als Punktewolke ausgegeben und beispielsweise in der Software Mitutoyo MCubeMap ausgewertet oder weiterverarbeitet werden. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit, mit der die Bilder mit verschiedenen Fokuspositionen aufgenommen werden können, ist die Erfassung der 3D-Daten in sehr kurzer Zeit möglich.

Von den Neuerungen unberührt bleiben die bisherigen Funktionen der Taglens, wie zum Beispiel der Möglichkeit diese in Verbindung mit einem Laser einzusetzen. Hier kann die Linse dazu genutzt werden, die Fokusposition des Lasers entlang seiner Achse kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von 70kHz zu verschieben und somit einen anfälligen mechanischen Aufbau zu ersetzen. Auch bietet die Linse durch die Funktion zur Schärfentiefenerweiterung (EDOF, Extended Depth of Focus) weiterhin einen Mehrwert für viele Anwendungen, um das zeitraubende oder gar unmögliche Nachfokussieren des optischen Systems zu umgehen.

Mitutoyo Deutschland GmbH

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