Flüssiglinsen in der Bildverarbeitung

Eigenschaften von Flüssiglinsen

Dies ist der Abschnitt 7.2 des Leitfadens zur Bildverarbeitung.

Flüssiglinsen passen den Fokus schnell an Objekte an, die sich in unterschiedlichen Arbeitsabständen befinden. Flüssiglinsen sind kleine, mechanisch oder elektrisch gesteuerte Zellen, die eine optische Flüssigkeit enthalten. Wenn ein Strom oder eine Spannung an eine Flüssiglinsenzelle angelegt wird, ändert sich die Form der Zelle. Diese Änderung tritt innerhalb von Millisekunden ein und bewirkt eine Verschiebung der optischen Brechkraft und damit der Brennweite und des Arbeitsabstands. Viele Hersteller haben Flüssiglinsen entwickelt, die mit leicht unterschiedlichen Verfahren arbeiten: Elektrobenetzung, stromgetriebenes Polymer oder piezoelektrische Schallwellen. Flüssiglinsen sind eine ideale Lösung für Bildverarbeitungsanwendungen, die eine schnelle Fokussierung, hohen Durchsatz, Tiefenschärfe und eine Anpassung an Bildfeld und Arbeitsabstand erfordern.

Abbildung 1: Aufbau mit Flüssiglinse, der in einer Hochgeschwindigkeitsanwendung für die maschinelle Bildverarbeitung verwendet wird.

Reaktionszeit

Flüssiglinsen haben sehr schnelle Reaktionszeiten, sind elektrisch über Spannung oder Strom abstimmbar und reagieren in wenigen Millisekunden. Objektive mit Festbrennweite und Zoomobjektive sind oft auf mechanische oder manuelle Einstellungen angewiesen, um den Fokus zu verändern, was das Abbildungssystem verlangsamen kann.

Vielseitigkeit

Flüssiglinsen können an verschiedenen Stellen in einem Bildverarbeitungssystem eingesetzt werden, z. B. eingebettet in ein Bildverarbeitungsobjektiv oder aufgeschraubt auf dessen Vorder- oder Rückseite.

Größe

Eine Flüssiglinse hat keine Mechanik, was eine kompakte Bauweise ermöglicht. Darüber hinaus sind Flüssiglinsen in ihrer Funktionalität vergleichbar mit vielen einzelnen Linsen in einer Baugruppe. Indem diese Linsen entfernt und durch eine kleine Flüssigkeitszelle ersetzt werden, werden die Gesamtgröße und das Gewicht des gesamten Objektivs reduziert.

Sensorabdeckung

Flüssiglinsen sind durch ihre kleine Aperturgröße begrenzt – die größte hat einen Durchmesser von etwa 16 mm. Die kleinen Aperturen schränken Flüssiglinsen ein und erlauben nur die Verwendung mit Sensoren bis etwa 1/1,8", wenn das Objektiv nachträglich auf die Vorderseite eines vorhandenen Bildverarbeitungsobjektivs montiert wird. In Systeme eingebettete Flüssigkeitslinsen bewirken keine Verringerung der Sensorabdeckung.

Fokussierung

Flüssiglinsen sind so konstruiert, dass sie in einem sehr weiten Bereich von optischer Brechkraft (Brennweiten) bei hohen Geschwindigkeiten arbeiten. Durch den Wegfall der beweglichen Teile und mechanischen Einstellungen, die bei Festbrennweiten- und Zoomobjektiven üblich sind, wird der Fokussiervorgang beschleunigt.

Komplexität der Integration

Je nach vorhandener Ausrüstung und Anwendung können Flüssiglinsen schwierig zu integrieren sein. Flüssiglinsen können in Verbindung mit zahlreichen Zubehörteilen wie Filtern und Blenden verwendet werden, die für viele Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie Abstandssensoren oder Steuerungen erforderlich sind.

Lebensdauer

Flüssiglinsen verbrauchen sehr wenig Strom. Typische mechanische Linsen halten ~100.000 Zyklen aus, während eine Flüssiglinse etwa ~50.000.000 Zyklen standhält (Berge, 2013).

Anwendungen mit Flüssiglinsen

Dies ist der Abschnitt 7.3 des Leitfadens zur Bildverarbeitung.

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Die Anpassungsfähigkeit, Geschwindigkeit und Vielseitigkeit von Flüssiglinsen machen sie ideal für eine Vielzahl von Bildverarbeitungs-, Life-Science- und Mess- und Inspektionsanwendungen. Aufgrund ihres traditionellen mechanischen Aufbaus haben konventionelle Bildverarbeitungsobjektive Schwierigkeiten, scharfe und genaue Bilder in Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit oder Präzision aufzunehmen, wenn eine schnelle Refokussierung erforderlich ist.

Industrielle Bildverarbeitung

Fertigungsstraßen für Großserien erfordern schnelle, exakte und präzise Messungen, um einen hohen Durchsatz zu gewährleisten. Die Integration einer Flüssiglinse in ein Prüfsystem ist eine kompakte und wirtschaftliche Lösung, wenn es darum geht, schnell auf verschiedene Arbeitsabstände zu fokussieren. Flüssiglinsen sind eine ideale Lösung für die Barcode-Inspektion, Paketsortierung, Qualitätskontrolle und schnelle Automatisierung.

Diese Animation veranschaulicht die Vorteile der Implementierung einer Flüssigkeitslinse in ein Bildverarbeitungssystem für die Inspektion.

Abbildung 2: Diese Animation veranschaulicht die Vorteile der Implementierung einer Flüssigkeitslinse in ein Bildverarbeitungssystem für die Inspektion. In einem standardmäßigen Inspektionssystem werden Objekte verschiedener Höhen, die auf einem sich schnell bewegenden Transportband vorbeilaufen, abgebildet. Ein Standard-Objektiv erfordert eine mechanische Nachfokussierung für jedes Objekt, was zu einer Verzögerung führt, die den hohen Durchsatz begrenzen kann. Eine Flüssiglinse, die nicht mechanisch verstellt werden muss, überwindet diese Einschränkungen in Bezug auf Geschwindigkeit und Tiefenschärfe, indem sie innerhalb von Millisekunden auf unterschiedliche Höhen fokussiert.

Life-Sciences

Flüssiglinsen verbessern und vereinfachen den Prozess der Fokus-Stapelung ("Z-stacking") in mikroskopischen Bildverarbeitungsanwendungen. Eine Fokus-Stapelung ist oft für Objektive mit hoher Vergrößerung erforderlich, weil diese nur eine begrenzte Tiefenschärfe haben. Eine Flüssiglinse kann schnell und präzise auf verschiedene Objektebenen fokussieren und beschleunigt so die Fokus-Stapelung. Flüssiglinsen können problemlos in Tubuslinsen oder im unendlich korrigierten Lichtweg in Mikroskopen integriert werden. Flüssiglinsen werden häufig in der Ophthalmologie verwendet, wo die Kontrolle der Refraktion und die Einstellung der Tiefenschärfe von entscheidender Bedeutung sind. Standard-Augenoptikgeräte enthalten mehrere Glaslinsen, die zur Anpassung an das menschliche Auge dienen. Diese Linsen können durch eine einzige Flüssiglinse ersetzt werden, was den Bildgebungs- oder Diagnoseprozess beschleunigt und die Gesamtgröße von ophthalmologischen Geräten wie OCTs und Phoroptern verringert.

Unbemannte Luftfahrzeuge

Durch den Einsatz einer Flüssiglinse bei einem unbemannten Luftfahrzeug-Bildgebungssystem wird die Bildschärfe über verschiedene Höhen hinweg schnell beibehalten. Flüssiglinsen sind besonders vorteilhaft bei der Inspektion und Kontrolle in der Landwirtschaft, bei geografischen Informations- und Überwachungssystemen.

Messung und dreidimensionales Rendering

In Verbindung mit einem Abstandssensor und einer Kamera kann eine Flüssiglinse schnell verschiedene Ebenen eines 3D-Objekts abbilden. Die Bilder werden dann in einer Software zusammengefügt, um eine genaue dreidimensionale Darstellung zu erhalten.

Die Flüssiglinsentechnologie

Dies ist der Abschnitt 7.4 des Leitfadens zur Bildverarbeitung.

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Technologie der Corning® Varioptic® Flüssiglinse mit variablem Fokus

Flüssiglinsen mit variablem Fokus fokussieren mit einem Verfahren namens Elektrobenetzung, d.h. dem Anlegen von elektrischen Feldern, um die Benetzungseigenschaften und damit Form und Krümmung einer Flüssigkeit zu beeinflussen. Die Flüssiglinsenzelle enthält zwei nicht mischbare Flüssigkeiten: ein nicht leitfähiges Öl und eine Wasserlösung, die durch eine Grenzfläche getrennt sind wie in Abbildung 3 gezeigt. Das Anlegen einer Spannung an der Grenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten ändert die Krümmung und damit die Brennweite der Linse innerhalb von Zehntelmillisekunden. Das Anlegen einer höheren Spannung erhöht die Gesamtkrümmung und die optische Leistung der Flüssigkeitslinse. Die kapazitiven Eigenschaften der Flüssiglinsen mit variablem Fokus ermöglichen einen stabilen Betrieb in Hochtemperaturumgebungen, sobald ein thermisches Gleichgewicht erreicht ist. Darüber hinaus haben die beiden Flüssigkeiten innerhalb der Linse die gleiche Dichte, wodurch das System unempfindlich gegen Vibrationen und Stöße ist. Flüssiglinsen mit variablem Fokus können schwierig zu handhaben sein, da sie aufgrund ihrer geringen Größe nur schwer mit vorhandenen Objektiven verwendet werden können. Sie eignen sich besser für die vollständige Integration in optische Designs, bei denen ihre Größe weniger einschränkend ist.

Abbildung 3: Schema zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips der Corning® Varioptic® Flüssiglinse.

Elektrisch fokussierbare Linsen von Optotune

Fokussierbare Linsen von Optotune bestehen aus einem Element, das mit einer optischen Flüssigkeit gefüllt und mit einer dünnen, elastischen Polymer-Membran abgedichtet ist. Eine stromgesteuerte Schwingspule wird in die Linsenmitte gedrückt, wodurch sich die Krümmung der Membran (und damit die Brechkraft) der Linse ändert. Aufgrund ihrer Stromabhängigkeit arbeiten elektrisch fokussierbare Linsen mit niedrigen Betriebsspannungen und fokussieren innerhalb von Millisekunden. Diese Linsen ändern die Polarisation nicht, haben eine hohe Laserzerstörschwelle und weisen nur minimale Aberrationen auf.