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Die präzise Blendensteuerung bietet Vorteile für Anwender der industriellen Bildverarbeitung

Optik und Beleuchtung spielen bei der Optimierung der Bedingungen für industrielle Bildverarbeitung eine große Rolle. Selbst der anscheinend einfache Vorgang der Blendeneinstellung des Objektivs beeinflusst im Bildverarbeitungssystem mehrere Parameter. Die Blende lässt sich auf verschiedene Art einstellen, die präzise Blendensteuerung (Precise-Iris oder P-Iris) bietet jedoch wesentliche Vorteile.

Die Bedeutung der Blende in der industriellen Bildverarbeitung

Durch Öffnen und Schließen der Blende wird die Lichtmenge eingestellt, die den Sensor der Kamera erreicht, und somit kann die Helligkeit in der Kamera gesteuert werden. Die einstellbare Blende in den meisten Objektiven verwendet normalerweise die als „Blendenzahlen“ bekannten Standardabstufungen 1,0, 1,4, 2,0, 2,8, 4, 5,6, 8, 11, 16 und 22. Bei jeder Stufe verringert sich die durch das Objektiv fallende Lichtmenge um 50%.

Allerdings beeinflusst die Blendengröße auch die Schärfentiefe und die Fokustiefe des Systems. Die Schärfentiefe ist die Entfernung zwischen dem nächsten und dem weitesten scharf eingestellten Gegenstand. Je kleiner die Blende ist, desto größer ist die Schärfentiefe. Die Fokustiefe ist die Entfernung, um die der Sensor bei gleichbleibender Schärfe eines feststehenden Gegenstandes bewegt werden kann. Das bestimmt, wie genau die Kamera für eine bestimmte Szene positioniert werden muss. Und wieder gilt, je kleiner die Blende ist, desto größer ist die Fokustiefe.

Optische Aberrationseffekte

Stellt man die Blende so klein als möglich, erreicht man die beste Schärfentiefe. Möglicherweise ist dann aber eine sehr lange Verschlusszeit notwendig, um den Sensor ausreichend zu belichten. Außerdem wird ab einer Blende kleiner f8,0 die Beugung zu einem einschränkenden Faktor. Die Beugung entsteht durch die leichte Krümmung des Lichts beim Passieren der Membranränder der Blende. Je kleiner die Blende ist, desto größer ist der Prozentsatz des Lichtes, das abgelenkt, d.h. gebeugt wird. Die Beugung bewirkt, dass sich ein Lichtpunkt zu einem sogenannten „Unschärfekreis“ ausdehnt, der die Bildschärfe verringert.

Um beste Bildverarbeitungsergebnisse zu erreichen, darf dieser Unschärfekreis im Bildsensor nur wenig größer als ein Pixel sein. Das heißt, dass der Kamerasensor für Anwendungen mit kleiner Blende sehr sorgfältig ausgewählt werden muss. Sensoren mit kleinen Pixeln sind zu vermeiden, da sie bei größer werdenden Unschärfekreisen bei kleinerer Blende weniger tolerant sind. Die Arbeit mit einer großen Blende verursacht möglicherweise neben der geringeren Schärfentiefe noch weitere Probleme.

Auch Aberrationen, wie z.B. farbliche und sphärische Abweichungen, können sich auf die Bildqualität auswirken. Farbabweichungen entstehen dadurch, dass Licht unterschiedlicher Wellenlänge an leicht unterschiedlichen Stellen gebündelt wird. Sphärische Abweichungen führen dazu, dass Licht am Rand des Objektivs an einer anderen Stelle gebündelt wird als Licht, das mittig einfällt. Eine genaue Einstellung der Blende ist ein Kompromiss zwischen der Lichtmenge, die in den Sensor einfällt, der Belichtungszeit, der Schärfentiefe und den Aberrationseffekten.

Auto-Iris-Systeme

Auto-Iris-Systeme öffnen oder schließen je nach Lichtintensität automatisch die Blende des Objektivs. Es gibt „DC-Iris-Systeme“ und „Video-Iris-Systeme“. Bei einem DC-Iris-System befindet sich der Schaltkreis im Inneren der Kamera. Beim Video-Iris-System sitzt der Schaltkreis direkt im Objektiv. Diese Systeme regeln zwar die Lichtmenge, die in den Sensor einfällt, erzeugen auf dem Bild aber möglicherweise eine Beugung oder andere Abweichung, indem sie die Blende zu weit öffnen oder schließen. Nachdem diese Art der Steuerung von einem kontinuierlichen Eingangssignal ausgeht, arbeitet es nicht korrekt, wenn die Kamera in nur unregelmäßigen Intervallen ausgelöst wird. Das ist bei den meisten Bildverarbeitungssystemen der Fall.

Die präzise Blendeneinstellung (Precise-Iris)

Die Precise-Iris (P-Iris) wurde entwickelt, um die Parameter Lichtmenge, Blendenöffnung, Belichtungszeit, Schärfentiefe und Gain zueinander auf eine Weise zu optimieren, die in der bestmöglichen Bildqualität resultiert. Anders als die Auto-Iris enthalten P-Iris-Objektive einen Schrittmotor, mit dem die Blende auf die genaue Blendenzahl geöffnet werden kann und damit eine präzise Steuerung des Lichtdurchsatzes möglich ist.

Damit können Gain, Belichtung und Blenden fein abgestimmt und eine optimale Aufnahmequalität gewährleistet werden. Zuviel Gain und Rauschen kann jedoch zum Problem werden. Lange Belichtungszeiten (langsame Verschlussgeschwindigkeiten) erzeugen Bewegungsunschärfen. Eine zu kleine Blende führt zu Beugungseffekten und damit einer geringeren Bildschärfe.

Die P-Iris soll durch die Möglichkeit der Einstellung der Blendenzahl und der Belichtungszeit die Bildqualität verbessern. Damit wird die optimale Schärfentiefe und die geringste Beugung erreicht und Bewegungsunschärfe vermieden. Dank den Schrittmotoren braucht sich die Blende zwischen zwei Aufnahmen nicht zu bewegen. Damit ist P-Iris bestens für die externe Ansteuerung der Kamera für Einzel- oder Mehrfachaufnahmen geeignet. Tritt der Fall ein, dass die eingestellte Blende und die elektronische Steuerung der Kamera nicht in der Lage sind, eine ausreichende Belichtung zu gewährleisten, gibt eine P-Iris-Kamera automatisch der Befehl an die Blende, zu einer anderen Einstellung zu wechseln. Somit ist P-Iris in der Lage, sich allen Lichtverhältnissen anzupassen und Bilder in optimaler Qualität zu liefern.

P-Iris-Objektive und Kameras

Als Europas größter unabhängiger Anbieter von industrieller Bildverarbeitungstechnologie ist STEMMER IMAGING in der Lage, eine breite Palette von Objektiven und Kameras mit P-Iris anzubieten. Sie umfasst Objektive von Computar, Schneider Kreuznach, Fujinon und Kowa. Wir bieten folgende Kameras an: Allied Vision Prosilica, JAI Spark und Teledyne DALSA Genie TS.