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Optik, die unterschätzte Bildverarbeitungskomponente

Beim Thema Bildverarbeitung denkt man meist zunächst an Kameras und schätzt deren Einfluss auf die Leistung eines BV-Systems als entscheidend ein. Dass jedoch selbst die beste Kamera ohne die passende Beleuchtung und die optimale Optik nur bedingt brauchbare Bilder liefern kann, wird oft übersehen. Die Auswahl der geeigneten Objektiv- und Beleuchtungskomponenten ist entscheidend für die Qualität des erzeugten Bildes und beeinflusst wichtige Faktoren wie Geschwindigkeit, Messgenauigkeit, Fehlerfreiheit, Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit der nachfolgenden Bildauswertung. Dieser Fachartikel vermittelt einen Überblick über optische Grundlagen in Bildverarbeitungssystemen.


Damit eine Kamera ein Bild von einem Objekt aufnehmen kann, wird ein Objektiv benötigt. Diese optische Komponente lenkt die von einem Objekt reflektierten bzw. emittierten Lichtstrahlen so ab, dass sie auf dem Sensor der eingesetzten Kamera ein Bild erzeugen. Der Aufbau des Linsensystems eines Objektivs wie z.B. die Linsenradien, die Abstände zwischen den Linsen, die Abstände zwischen Objekt und Objektiv (der so genannte Arbeitsabstand), wie auch der Abstand des Objektivs zum Sensor beeinflussen die Abbildung dabei erheblich. Die nachfolgende Grafik zeigt vereinfacht die Funktionsweise eines Objektivs (siehe Grafik).

Durch die Auswahl der Brennweite eines Objektivs wird der Abbildungsmaßstab definiert, d.h. das Verhältnis der Bildgröße auf dem Sensor zur Objektgröße. Objektive, bei denen das Linsensystem unveränderlich in festen Abständen zueinander verbaut ist, und die keine Fokussiereinheit besitzen, sind echte Festbrennweitenobjektive mit fixem Mindestarbeitsabstand (MOD). Verschiedene Hersteller bieten darüber hinaus Festbrennweitenobjektive mit Fokussiereinheit an, bei denen der MOD geringfügig variiert werden kann. Aufgrund der definierten Brennweite verfügen diese Objektive über einen relativ festen Vergrößerungsbereich. Da die Parameter wie Arbeitsabstand und benötigte Vergrößerung einer Applikation meist technisch vorgegeben sind und unveränderlich bleiben, werden in der industriellen Bildverarbeitung hauptsächlich Objektive mit fester Brennweite eingesetzt.

Zoomobjektive sind in der industriellen Bildverarbeitung hingegen weit weniger stark verbreitet. Diese Objektive verändern ihre Brennweite, indem sich Teile des Objektivs bewegen. Zoomobjektive sind somit mechanisch weniger stabil und nicht für exakte Messungen geeignet, da sie keine rekonstruierbaren Wiederholgenauigkeiten zulassen.

Die meisten in der Bildverarbeitung eingesetzten Optiken sind in Metallgehäusen verbaut und bieten so eine erhöhte Stabilität. Zusätzlich existieren Spezialoptiken mit hoher Schock und Vibrationsfestigkeit für den Einsatz unter härtesten Bedingungen. Bei diesen Optiken sind die einzelnen Linsen zusätzlich verklebt, was die Robustheit der Optik deutlich erhöht.

Auswahlkriterien für die perfekte Optik

Die Wahl des richtigen Objektivs ist im ersten Schritt direkt abhängig vom Sensor der verwendeten Kamera, die bei der Zusammenstellung der optimalen Komponentenkombination für eine Bildverarbeitungslösung in der Regel als erstes festgelegt wird. Vor allem die Chip- und die Pixelgröße der Kamera sind dabei für die Optikauswahl von Bedeutung. So bestimmt die Größe des in der Kamera verbauten Sensors den Bildkreisdurchmesser der Optik: Das Objektiv muss in der Lage sein, die komplette Sensorfläche auszuleuchten, um Vignettierungen (Abschattungen) im Bild zu vermeiden. Die in der Bildverarbeitung üblichen Sensorgrößen liegen zwischen 1/4“ (3,65 mm x 2,74 mm) und 1.2 (15,5 mm x 15,5 mm), darüber hinaus kommt häufig auch das Kleinbildformat mit 24,0 mm x 36,0 mm zum Einsatz. Für diese Sensorgrößen bieten viele Optikhersteller geeignete Objektive an.

Zudem muss das Objektiv die Pixelgröße des Kamerasensors auflösen können. Diese Größe variiert von Kamera zu Kamera: Je kleiner die Pixel, desto besser muss auch das Auflösungsvermögen des Objektivs sein. Ein Maß für die optische Qualität ist hier die so genannte Modulationstransferfunktion (MTF) eines Objektivs. Diese Funktion stellt die quantitative Beschreibung der Abbildungsgüte einer Optik unter Berücksichtigung aller Abbildungsfehler dar.

Eine perfekte Linse würde ein Bild erzeugen, das dem Objekt inklusive aller Details und Helligkeitsschwankungen 1:1 entspricht. In der Praxis ist dies jedoch nicht möglich, da eine Linse wie ein Tiefpassfilter wirkt. Diese Abschwächung einer gegebenen Frequenz oder eines Details wird mittels der MTF klassifiziert. Dieser Wert gibt einen Hinweis auf die Übertragungseffizienz des Objektivs. Vereinfacht gesagt werden große Strukturen wie z.B. Linien mit großem Abstand normalerweise mit gutem Kontrast übertragen, kleinere Strukturen wie beispielsweise feine Linien mit geringem Abstand hingegen mit geringerem Kontrast. Bei jeder Linse gibt es einen Punkt, an dem der Kontrast den Wert Null erreicht. Diese Schwelle wird oft als Auflösungsgrenze bezeichnet und normalerweise in Linienpaaren pro Millimeter (lp/mm) oder bei einigen Makroobjektiven als Mindestliniengröße in µm angegeben.

Bei der Festlegung der Auflösung sollte stets das Gesamtsystem betrachtet werden. Viele moderne Megapixelkameras verwenden kleinere Sensoren, um die Kosten gering zu halten. Diese kleinen Sensoren arbeiten mit kleineren Pixeln und benötigen daher oft bessere und teurere Objektive, um eine Feinauflösung zu ermöglichen. Manchmal kann es daher wirtschaftlicher sein, eine teurere Megapixelkamera mit größeren Pixeln zu nutzen, die jedoch mit einem weniger aufwändigen Objektiv auskommt und so in der Kombination zu einem geringeren Gesamtpreis führt.

Objektauflösung und Abbildungsmaßstab

Ein weiteres entscheidendes Kriterium bei der Auswahl einer geeigneten Optik ist ihre Objektauflösung: Um ein Detail am Objekt auflösen zu können und eine eindeutige Kantenerkennung zu gewährleisten, sollte jedes Detail auf ca. vier Pixel abgebildet werden. Somit hängt der benötigte Abbildungsmaßstab direkt von der gewünschten Objektauflösung bzw. der Pixelgröße ab.

Weitere Parameter bei der Entscheidung für die bestmögliche Optik eines neuen Bildverarbeitungssystems sind unter anderem die Brennweite, die benötigte Vergrößerung, die Blendenzahl, die Schärfentiefe, der vorliegende Arbeitsabstand sowie die tolerierbaren Abweichungen, die von Anwendung zu Anwendung unterschiedlich sind. Hier gilt es, Defektabweichungen, chromatische und sphärische Abweichungen, die Verzeichnung, die Entspiegelung und die spektrale Durchlässigkeit der benötigten Optik zu prüfen und zu untersuchen, ob das Gesamtsystem die gestellten Anforderungen erfüllen kann.

Erst die Kenntnis aller applikationsspezifischen Parameter sowie der optischen und mechanischen Eigenschaften der potentiell geeigneten Optiken ermöglicht die korrekte Auswahl des optimalen Objektivs, das allen Anforderungen der zu lösenden Applikation hinsichtlich Bildgröße und Bildqualität gerecht wird.

Der einfache Weg zur optimalen Lösung

Die Vielzahl der genannten technischen Unterschiede von Objektiven macht es für unerfahrene Anwender sehr schwer, die perfekte Auswahl für die jeweilige Anwendung zu treffen. Um sich zeitaufwändige Tests zu ersparen, gibt es hier einen einfacheren Weg: STEMMER IMAGING ist Europas größter Technologie- und Service-Anbieter für die Bildverarbeitung und führt neben allen weiteren für die Bildverarbeitung nötigen Komponenten auch eine große Palette an Optiken von weltweit führenden Herstellern im Programm.

Das Unternehmen deckt von Standard- und Universaloptiken über Makroobjektive, Objektive mit fester und variabler Brennweite, Zoomobjektive, Objektive für Multi-Chip-Kameras bis hin zu Präzisionsobjektiven und großformatigen Objektiven alle wesentlichen Produkttypen ab. Auch spezielle Optiken wie telezentrische Objektive und das erforderliche Zubehör wie z.B. Filter sind Teil des Angebots von STEMMER IMAGING. Mit der langjährigen Erfahrung aus über 35 Jahren Bildverarbeitung sind die Experten des Unternehmens somit in der Lage, ihre Kunden zuverlässig bei der Auswahl der für die jeweilige Aufgabenstellung optimalen Optiklösung zu unterstützen.

Das Handbuch der Bildverarbeitung

Dieser Artikel wurde aus Inhalten des „Handbuchs der Bildverarbeitung“ von STEMMER IMAGING zusammengefasst. Die zweite Auflage dieses knapp 450 Seiten starken Handbuchs kann unter www.stemmer-imaging.de, info@stemmer-imaging.de oder der Telefonnummer 0049 89 809020 kostenlos angefordert werden.