Abstandsringe, Ausgleichsscheiben und Brennweiten-Extender

Dies ist der Abschnitt 5.2 des Leitfadens zur Bildverarbeitung.

Bei manchen Anwendungen kann es erforderlich sein, ein Objektiv einzusetzen, dessen technische Daten eigentlich nicht ausreichen. Abstandsringe, Ausgleichsscheiben und Brennweiten-Extender sind einfache Hilfsmittel, mit denen ein Anwender seine Anforderungen doch noch erreichen kann. Diese Werkzeuge werden zwischen dem Objektiv und dem Objektivanschluss der Kamera eingesetzt. Abstandsringe und Brennweiten-Extender modifizieren das Bildfeld bzw. die Arbeitsabstände (WD) bei Objektiven mit Festbrennweite, Ausgleichsscheiben können zur exakten Kontrolle des Arbeitsabstands telezentrischer Objektive verwendet werden.

Abstandsringe

Die meisten Objektive mit fester Brennweite haben eine integrierte Mechanik zur Fokussierung auf verschiedene Arbeitsabstände. Die feste Brennweite bedeutet, dass sich die Elemente in einem definierten Bereich bewegen (und sich nicht relativ zueinander bewegen). Dieser Bereich gibt die Arbeitsabstände vor, in denen der Fokus erreicht werden kann. Dieser vordefinierte Bereich wird auf der Grundlage des Designs des Objektivs gewählt. Oft ist es jedoch vorteilhaft, ein Objektiv über seine Grenzen hinaus zu strecken, um es an eine Anwendung anzupassen, für die ein kleineres Sichtfeld oder ein kürzerer Arbeitsabstand erforderlich ist. Wird das System durch einen Abstandsring zwischen Kamera und Objektiv ergänzt, ändert sich der Arbeitsabstandsbereich, in dem das Objektiv optimal arbeitet.

Der Hauptzweck des Hinzufügens eines Abstandsrings besteht darin, die Vergrößerung des Bildverarbeitungssystems zu erhöhen oder den Arbeitsabstand zu verkürzen; diese beiden Änderungen treten gleichzeitig auf und werden durch die Gaußschen Abbildungsgleichungen erklärt.

(1)$$ \frac{1}{d} = \frac{1}{f} - \frac{1}{\text{WD}} $$

(1)

$$ \frac{1}{d} = \frac{1}{f} - \frac{1}{\text{WD}} $$

(2)$$ m = - \frac{d}{ \text{WD}} $$

(2)

$$ m = - \frac{d}{ \text{WD}} $$

Gleichung 1 zeigt den Zusammenhang zwischen der Bildweite $ \small{ \left( d \right) }$ und der Brennweite des Objektivs $ \small{ \left( f \right) }$ . Mit zunehmender Bildweite muss der Arbeitsabstand abnehmen. Wenn sich der Arbeitsabstand und die Bildweite ändern, muss sich auch der Vergrößerungsfaktor $ \small{ \left( m \right) }$ gemäß Gleichung 2 ändern (weitere Informationen zum Vergrößerungsfaktor siehe Kontrast). Abbildung 1 veranschaulicht diesen Effekt. Bildgebende Objektive sind komplexere Systeme, und die Berechnungen für die Verwendung von Abstandsringen sind komplizierter.

Die Verringerung des Arbeitsabstands und die Erhöhung der Vergrößerung (Verkleinerung des Bildfelds) sind die beiden wichtigsten Vorteile der Verwendung eines Abstandsrings. Die Wahl des richtigen Abstandsrings hängt von der jeweiligen Anwendung ab, aber betrachten Sie ein Beispiel mit einem Objektiv mit 35 mm Brennweite im Vergleich zu demselben 35-mm-Objektiv mit einem 11-mm-Abstandsring. Das Ergebnis mit Abstandsring ist in Tabelle 1 zu finden. Der Abstandsring in diesem Beispiel hat den größten Einfluss auf den Arbeitsabstand, der um mehr als die Hälfte reduziert wird, und die Vergrößerung, die sich mehr als verdoppelt. Diese Art von Abstandsring hat auch Vorteile für Systeme mit begrenztem Platzangebot, da die Gesamtlänge Objekt - Bild (Länge von der Bildebene zur Objektebene) reduziert wird.

Wichtig ist außerdem, die Auswirkungen der Abstandsringe auf die Leistung des optischen Systems zu berücksichtigen. Der Arbeitsabstandsbereich, in dem das Objektiv vor dem Hinzufügen der Abstandsringe physisch arbeitet, ist in der Regel der Bereich, in dem die beste Leistung auf der Grundlage des optischen Designs erzielt wird, und die Leistung leidet in der Regel, wenn diese Abstände durch Abstandsringe verändert werden. Die Abbildungen 2 und 3 zeigen die MTF-Kurven (Modulationstransferfunktion) für das Objektiv aus dem obigen Beispiel bei f/4 und auf einem 2/3"-Sensor bei minimalem Arbeitsabstand bzw. mit dem 11-mm-Abstandsring. Als Faustregel gilt, dass ein Abstandsring nicht verwendet werden sollte, wenn er mehr als die Hälfte der Brennweite beträgt. Bei richtiger Anwendung können Abstandsringe eine hervorragende Möglichkeit sein, ein Objektiv an eine bestimmte Anwendung anzupassen, sofern die Einschränkungen und Auswirkungen auf die Leistung vollständig berücksichtigt werden. Eine monochromatische Beleuchtung hilft, diese Leistungsprobleme zu mildern. Die Verwendung eines Objektivs innerhalb seines Designbereichs ist die beste Option für eine optimale Leistung. Objektive mit längerer Brennweite reagieren in der Regel besser auf Abstandsringe, da sie im Vergleich zu Objektiven mit kürzerer Brennweite oft einfacher konstruiert sind.

Abbildung 1: Veranschaulichung der Beziehung zwischen Bildweite, Arbeitsabstand und Brennweite.

	Kein Abstandsring	11-mm-Abstandsring
Brennweite	35 mm	35 mm
Objektiv Länge	41 mm	52 mm
Bildweite	42,9 mm	53,9 mm
Arbeitsabstand	165	74,1
Gesamtlänge Objekt - Bild	223,5	143,6
Vergrößerung	0,22X	0,54X
Sichtfeld (½")	28,5 mm	11,88 mm

Tabelle 1: Vergleich der Spezifikationen desselben Objektivs mit 35 mm Brennweite (fokussiert bei minimalem Arbeitsabstand) mit und ohne Abstandsring. Die wichtigsten Änderungen sind fett gedruckt.

Abbildung 2: Objektiv mit 35 mm Brennweite bei minimalem Arbeitsabstand.

Abbildung 3: Objektiv mit 35 mm Brennweite und 11 mm Abstandsring.

Ausgleichsscheiben

Ausgleichsscheiben folgen demselben Grundkonzept wie Abstandsringe, werden jedoch für Objektive mit fester Vergrößerung wie telezentrische Objektive verwendet. Ausgleichsscheiben sind dünne (0,025 - 1,0 mm) Abstandsringe aus rostfreiem Stahl, die zur präzisen Steuerung des Arbeitsabstands verwendet werden, um die beste Bildqualität zu gewährleisten. Das Auflagemaß kann aufgrund von Toleranzen in der Gehäusekonstruktion oder der Sensorplatzierung geringfügig von der Nennausführung abweichen; daher können Ausgleichsscheiben als dünne Abstandsringe zwischen Objektiv und Kamera verwendet werden, um diese Abweichung anzupassen und zu korrigieren.

Mit der Bildweite variiert auch die Bildqualität. Wenn die Bildweite zu weit vom idealen Design abweicht, kann es zu einer spürbaren Unschärfe oder Verschlechterung der MTF kommen. Dies kann vorkommen, wenn Sie ein Objektiv zwischen verschiedenen Kameras wechseln - selbst wenn Sie dasselbe Kamera- und Objektivmodell verwenden, da es kleine Abweichungen von einer Komponente zur nächsten geben kann. Geringfügige Anpassungen können mit Hilfe von Abstandsscheiben vorgenommen werden, um die MTF und den Fokus wieder auf ein optimales Niveau zu bringen. Bei der Einrichtung jedes neuen Systems oder jeder neuen Linie kann eine geringfügige Anpassung der Bildweite erforderlich sein. Daher werden bei vielen telezentrischen Objektiven oft Ausgleichsscheiben mitgeliefert. Mit den für jedes System festgelegten kritischen optischen Parametern können die Software-Schwellenwerte und Kalibrierungsverfahren von einem System zum nächsten wiederholt werden.

Telezentrische Objektive werden häufig für Anwendungen gewählt, die anspruchsvolle Fertigungsmessungen erfordern. Oftmals sind diese Anwendungen mit anderen Herausforderungen verbunden, wie z. B. begrenzte Arbeitsabstandsbereiche aufgrund von schwingenden Roboterarmen, Verunreinigungen in der Nähe oder das bestehende mechanische Layout einer Maschine, in die das neue Messsystem eingepasst werden muss. Wie bei Abstandsringen wird durch Hinzufügen oder Entfernen von Ausgleichsscheiben an der Rückseite eines telezentrischen Objektivs die Beziehung zwischen Bildweite, Arbeitsabstand und Brennweite (Abbildung 1) ausgenutzt und der Arbeitsabstand leicht in einen nutzbaren Bereich eingestellt. Bei monochromatischen Anwendungen können Ausgleichsscheiben auch verwendet werden, um die chromatische Fokusverschiebung zu kompensieren oder neu zu fokussieren (siehe Aberrationen). Mit Hilfe von Abstandsscheiben kann der Benutzer die Bildweite präzise steuern, um die bestmögliche Lösung für seine Anwendung zu erzielen.

Brennweiten-Extender/Multiplikatoren

Eine weitere Möglichkeit, die Vergrößerung eines Bildverarbeitungssystems zu erhöhen, ist die Verwendung eines Brennweiten-Extenders. Ein Brennweiten-Extender ist wie ein Abstandsring, da beide zwischen der Rückseite des Objektivs und der Kamera angebracht werden. Ein Brennweiten-Extender ändert jedoch nicht den Arbeitsabstandsbereich.

Brennweiten-Extender enthalten einen negativen Satz von Elementen, die die Brennweite eines Objektivs um einen Multiplikationsfaktor verändern. Ein Objektiv mit einer Brennweite von 25 mm und einem Brennweiten-Extender von 2X hat eine effektive Brennweite von 50 mm und halbiert somit das Bildfeld bei gleichem Arbeitsabstandsbereich. Brennweiten-Extender können auch übereinander gestapelt werden und haben einen Multiplikatoreffekt auf die Brennweite des Objektivs. Eine 25-mm-Brennweite, die mit zwei Brennweiten-Extendern von 1,5X und 2X verwendet wird, hat eine neue Brennweite von 75 mm.

Genauso wie Abstandsringe nicht ohne Kompromisse zu haben sind, sollte bei der Verwendung von Brennweiten-Extendern eine mögliche Verringerung der Bildqualität in Betracht gezogen werden. Da die einzelnen Elemente eines Objektivs gemeinsam so konzipiert sind, dass sie die optische Leistung ausgleichen, führt das Hinzufügen eines zusätzlichen negativen Elements im optischen System zu einer Verringerung der Leistung, da zusätzliche optische Aberrationen eingeführt werden. Brennweiten-Extender reduzieren auch die Lichtmenge in einem Objektiv, indem sie die f/# ändern. Ein Brennweiten-Extender von 2X verringert den Lichtdurchsatz um das Vierfache. Die Auswirkungen auf die Bildqualität müssen vor dem Einsatz eines Brennweiten-Extenders berücksichtigt werden.

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Weiterführende Informationen

Anwendungshinweis