Herstellung von Bildverarbeitungsobjektiven: Wie sicher gestellt werden kann, dass Spezifikationen erfüllt werden

  • Mithilfe von Interferometrie wird die Oberflächengenauigkeit einzelner Glaskomponenten gemessenMithilfe von Interferometrie wird die Oberflächengenauigkeit einzelner Glaskomponenten gemessen
  • Mithilfe von Interferometrie wird die Oberflächengenauigkeit einzelner Glaskomponenten gemessen
  • Die Prüfstation Trioptics ImageMaster verwendet ein kamerabasiertes MTF-Messverfahren, das präziser, aber auch zeitaufwendiger als die Rückprojektion ist

Die Qualität und Leistungsstärke von Bildverarbeitungssystemen sind entscheidend für den technologischen Fortschritt in Bereichen wie der bildverarbeitungsgesteuerten Robotik, der modernen medizinischen Diagnostik und bei automatisierten Inspektionssystemen. Die Branche der Bildverarbeitungstechnologie steht unter höherem Druck denn je, die steigenden Anforderungen verschiedenster Märkte zu erfüllen. Dabei gewinnt ein tief greifendes Verständnis der Bildverarbeitungstechnik immer mehr an Bedeutung.

Der erste Teil dieser dreiteiligen Artikelserie beschäftigte sich damit, wie Sie eine Spezifikation gemäß Ihren Anwendungsanforderungen erstellen und ein angemessenes Gleichgewicht zwischen Kosten, Entwicklungszeit, Systemgröße und Gewicht finden können. Im zweiten Teil wurde gezeigt, wie sich diese zuvor getroffenen Entscheidungen in ein tatsächliches Design mit möglichen Abstrichen bei der ursprünglichen Leistungsspezifikation umsetzen lassen. Dabei wurde deutlich, wie entscheidend es ist, einen guten Kompromiss zwischen dem idealen nominalen Design und einem herstellbaren Design zu finden. Dieser dritte Artikel widmet sich nun geeigneten Methoden zur Prüfung von Objektiven und stellt dar, wie vereinbarte Leistungsmerkmale und die Fertigungs- und Prüfprozesse von Lieferanten validiert werden können.

Prüfkriterien

Die Prüfung von Objektiven beginnt bereits auf Ebene der Rohmaterialien und führt über die Inspektion einzelner Glaskomponenten und mechanischer Teile bis hin zur Prüfung der vollständig zusammengebauten Objektive. Auf Komponentenebene gibt es Toleranzen für einige Parameter, welche die endgültige Leistung der Objektive entscheidend beeinflussen können, darunter Oberflächenqualität und -rauheit sowie Zentrierung. Durchgängige Prüfungen während des gesamten Fertigungsprozesses sind somit notwendig, um die erforderliche Qualität des Endprodukts sicherzustellen.
Die Prüfung der fertigen Optikbaugruppe zeigt schließlich, wie empfindlich das Design auf die Gesamtheit der Bauteiltoleranzen reagiert. Es ist daher – wie bereits erwähnt – entscheidend, die endgültigen Abnahmekriterien vorab zu definieren. Darüber hinaus kann der Abgleich der verwendeten Prüfmethoden und Messverfahren der unterschiedlichen Prozessbeteiligten einige Zeit in Anspruch nehmen.

Hierfür gibt eine Reihe von Prüfungen auf Systemebene, die häufig zur Beurteilung des endgültigen Objektivs verwendet werden, beispielsweise die Modulationstransferfunktion (MTF) Prüfung, die Prüfung der Schärfentiefe oder der Verzeichnung.

MTF-Prüfung

MTF-Prüfungen werden von nahezu allen Herstellern für jedes Objektiv in komplexen Optikbaugruppen durchgeführt. Diese Prüfung misst den Kontrast bei unterschiedlichen Auflösungen. Im Wesentlichen ist der Wert ein Indikator für die Schärfe und Klarheit des Bildes. Der erste Schritt besteht darin, zu verstehen, an welchen und an wie vielen Punkten im Sichtfeld der Test durchgeführt werden sollte, um die Einhaltung der Spezifikationen sicherzustellen. Darüber hinaus können die verwendeten Wellenlängen des Lichts das Messergebnis bedeutend beeinflussen. Unterschiedliche Lichtquellen weisen ein unterschiedliches Spektrum auf und erzeugen unterschiedliche MTF-Ergebnisse für ein und dasselbe Objektiv.
Eine grundlegende und sehr häufig verwendete MTF-Prüfmethode ist die Rückprojektion. Dazu wird ein auf der Bildebene des Objektivs (Sensorposition) platziertes Testchart von hinten beleuchtet. An dieser Position entsteht ein Objekt mit hohem Kontrast, das dann rückwärts durch das Objektiv auf eine Wand oder einen Schirm projiziert wird. Das Objektiv wird also in umgekehrter Richtung betrieben, um die Leistung zu überprüfen. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass sie für das gesamte Sichtfeld umfangreiche Informationen gleichzeitig liefert und einen hohen Durchsatz ermöglicht. Nachteilig ist jedoch, dass es sich grundsätzlich um eine subjektive Gut/Schlecht-Prüfung handelt, die keine absoluten Details bietet. Die Anwendung dieser Prüfmethode wird mit zunehmender Auflösung schwieriger.
Eine weitere MTF-Prüfung nutzt Kameras oder Sensoren, exakt angeordnete Targets und Objekte sowie Software, um präzisere Detailinformationen an bestimmten Positionen im Messbereich zu liefern. Diese Prüfmethode ist präziser als die Rückprojektion, erfordert jedoch mehr Zeit, da einzelne Positionen im Bildfeld separat gemessen werden. Automatisierung kann den Durchsatz steigern – aber auch die Kosten. Darüber hinaus erfordert diese Art der Prüfung den Einsatz von höher qualifiziertem Personal als die Rückprojektion. Systeme zur Durchführung derartiger Prüfungen sind über eine Reihe von Anbietern erhältlich. Viele Optikhersteller haben jedoch eigene Versionen dieser Systeme entwickelt und führen die entsprechenden Prüfungen bereits „In-House“ durch. Diese Systeme verwenden unterschiedliche Software, Hardware, Lichtquellen und Algorithmen. Das erschwert den Vergleich von Messergebnissen unterschiedlicher Systeme. Dies gilt insbesondere, wenn hinsichtlich der Auflösung in unterschiedlichen Bildbereichen und bei unterschiedlichen Arbeitsabständen komplexe Anforderungen bestehen. Daher kann der Vergleich von Tests des Lieferanten mit intern am Kundenstandort durchgeführten Tests problematisch sein, wenn vor der Lieferung keine klaren Regelungen und Testbedingungen vereinbart wurden. Bei extrem hohem Produktionsvolumen können vollständig automatisierte MTF-Systeme entwickelt werden, um hohen Durchsatz und Messgenauigkeit sicherzustellen. Dabei handelt es sich in der Regel jedoch um maßgeschneiderte Systeme für eine eng gefasste Produktgruppe oder ein einzelnes Produkt.

Messung der Schärfentiefe

Die Schärfentiefe wird gemessen, indem die MTF bei unterschiedlichen Entfernungen oberhalb und unterhalb des bestmöglichen Fokus bewertet wird. Diese Funktion ist jedoch nicht in allen Prüfsystemen standardmäßig enthalten. Gewöhnlich müssen Kriterien entwickelt werden, die die Einschränkungen des Prüfsystems berücksichtigen, um präzise Ergebnisse zu erhalten. Es ist leichter, die Bedingungen für MTF-Messungen zum Prüfen der Schärfentiefe optimal mit Ihrem Lieferanten abzustimmen, wenn Sie selbst klare Vorstellungen davon haben. Möglicherweise muss dafür ein individueller Testaufbau entwickelt werden.

Prüfen der Verzeichnung

Das Prüfen der Verzeichnung erfordert gewöhnlich automatisierte Systeme, da mit visuellen Systemen, die auf einer Rückprojektion basieren, eine einfache Gut/Schlecht-Bewertung schwierig ist. Zum Durchführen dieser Prüfmethode sind zahlreiche Softwarepakete verfügbar. Dabei ist jedoch eine exakte Ausrichtung von Sensor und Optik sowie eine exakte mechanische Ausrichtung auf das Target unbedingt erforderlich, um verlässliche Ergebnisse zu erzielen. Darüber hinaus bieten auch einige MTF-Prüfsysteme bei entsprechender Konfiguration geeignete Funktionen zum Bestimmen der Verzeichnung.

Fazit

Wie im ersten Teil dieser Artikelserie erläutert wurde, ist es bei der Entwicklung der geeigneten Objektivspezifikationen entscheidend, eine genaue Vorstellung vom Endresultat zu haben. Prüfung und Validierung sind Voraussetzungen für den Erfolg. Die damit verbundenen Bedingungen und Verfahren sollten daher im Vorfeld bei der Projektentwicklung besprochen und entsprechende Vereinbarungen spätestens vor der Bestellung von Komponenten getroffen werden. Es muss sichergestellt werden, dass sich alle Prozessbeteiligten auf eine gemeinsame Prüfstrategie einigen und diese verfolgen. Damit können Lieferzeiten verkürzt, Probleme umgangen und optimale Endergebnisse gewährleistet werden.

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