Bedeutung von Lichtstärke und Homogenität der Bildhelligkeit

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Die Homogenität der Helligkeit ist winkelabhängig

Zur Darstellung des Verlaufs der Helligkeit im Bild wird die relative Beleuchtungsstärke auf dem Empfänger über die Bildhöhe abgetragen. Der Randabfall oder die Vignettierung geben den maximalen Intensitätsabfall in Prozent an. Die maximale Bildhelligkeit wird idealer Weise auf der optischen Achse erreicht. Außerhalb der optischen Achse hängt die Bildhelligkeit vom Einfallswinkel des Hauptstrahls auf den Sensor ab, also davon, wie schräg die abbildenden Strahlenbündel auf den Sensor treffen. Dieser Abfall kann mit der 4. Potenz des Cosinus des Hauptstrahlwinkels beschrieben werden (Bild 3).

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Dieser Randabfall tritt auf, da sich die Raumwinkelprojektion der leuchtenden Fläche in die Empfängerebene mit steigendem Hauptstrahlwinkel reduziert. Dieser Helligkeitsverlust wird als natürliche Vignettierung bezeichnet. Zusätzlich können noch Helligkeitsverluste durch künstliche Vignettierung auftreten, d.h. wenn die abbildenden Strahlenbündel durch Objektivbegrenzungen beschnitten werden. Weiterhin können Abbildungsfehler zu einer Verzerrung des Lichtkegels und damit zu Inhomogenitäten in der Bildausleuchtung führen.

Typischer Weise treten Hauptstrahlwinkel bei rein objektseitig telezentrischen Objektiven bis zu 15° auf. Dann beträgt der Intensitätsabfall am Bildrand bereits ca. 13%. Dies bedeutet bei maximaler Aussteuerung des Bildes in der Mitte mit einem Grauwert von 250, dass dieser am Bildrand nur noch 218 beträgt, also 32 Graustufen weniger. Das kann beispielsweise dazu führen, dass ein Kantenort nicht mehr sicher detektiert wird, weil zur Lokalisierung ein bestimmter Schwellwert überschritten werden muss.

Abhilfe von der natürlichen Vignettierung schafft die bildseitige Telezentrie. Objektive mit dieser Eigenschaft werden auch Anti-Shading-Objektive genannt. Die bildseitige Telezentrie kann dabei sowohl bei entozentrischen als auch in Kombination mit objektseitig telezentrischen Objektiven angewendet werden.

Durch die Lage der Öffnungsblende befindet sich die Austrittspupille im bildseitig Unendlichen. Dadurch wird erreicht, dass die Lichtkegel bildseitig alle parallel verlaufen und somit alle den Sensor ohne Helligkeitsverlust treffen. Ein solches Objektiv muss dann sensorseitig immer mindestens so groß wie der Sensor sein plus einer Zugabe um künstliche Randabschattung zu vermeiden.

Die Vorteile von objekt- und bildseitiger Telezentrie vereint das neue Objektiv vicotar T150/0.26-B/S/10.1 von Vision & Control. Durch die bildseitige Telezentrie wird der Randabfall für einen Bildkreisdurchmesser von 10 mm auf 2,3% begrenzt, wie Bild 4 zeigt. Dadurch kann es mit Bildaufnehmern bis 2/3" verwendet werden. Durch den Abbildungsmaßstab von 0,26 ist es besonders für Inspektionssysteme in der Halbleiterindustrie geeignet.

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Telezentrische Objektive bieten also bei hoher Auflösung eine vollständige und unverzerrte Sicht auf die Untersuchungsobjekte. Damit werden hochgenaue Messungen und zuverlässige Inspektionen möglich. Die Lichtstärke solcher Objektive ist wie im Artikel gezeigt nicht an die Telezentrie geknüpft; sie kann mit der effektiven Blendenzahl abgeschätzt und darüber mit der von entozentrischen Objektiven verglichen werden. Mit bildseitig telezentrischen Objektiven lassen sich homogen ausgeleuchtete Bildfelder erzeugen. Damit können Programmschleifen in der Auswertesoftware vermieden werden. Die Messungen werden so insgesamt stabiler und sicherer gemacht.

* * Dr.-Ing. Claudia Brückner ist Optikentwicklerin bei Vision & Control, Suhl.

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