Von dort aus kann Ihr Optikexperte tiefer eindringen. In diesem speziellen Szenario würden wir uns sofort auf den gewünschten Kontrast der Defekte konzentrieren. Sind sie kontrastarm? Ist das Objekt lichtscheu oder gut ausgeleuchtet? Wir haben 18 Fragen, und jede hilft uns, die Objektivfamilie zu identifizieren und zu verfeinern, die am besten zu den Designspezifikationen und Leistungsanforderungen des Bildverarbeitungssystems passt.
Hier sind fünf Fragen für den Anfang:
1. Wie groß ist das gewünschte Objekt oder Sichtfeld (Länge, Breite, Höhe)?
2. Welche Anforderungen werden an das Bild gestellt (flächig oder linear; Länge, Breite, Höhe; Anzahl der Pixel)?
3. Wie groß soll die Vergrößerung sein?
4. Welche Spezifikationen hat der Sensor (Farbe oder Schwarzweiß, Pixelgröße, IR-Sperrfilter)?
5. Welcher Wellenlängenbereich wird benötigt (monochromatisch, sichtbar, nahes IR)?
Die Antworten auf diese Fragen bestimmen den Prozess der Objektivauswahl und wirken sich auf das gesamte Systemdesign aus. Während die Entwickler von Bildverarbeitungssystemen und Robotern in der Regel mit der Erwartung zu einem Optikhersteller kommen, schnell die Modellnummer des Objektivs zu erfahren, das sie ihrer Stückliste hinzufügen können, werden die 18 Fragen oft zu einer anderen, aber notwendigen Art von Berechnung.
Von allen Fragen zu einem Objektiv ist die nach der erforderlichen optischen Vergrößerung vielleicht die wichtigste und nützlichste. Dieses Verhältnis, im allgemeinen die Bildgröße geteilt durch die Objektgröße oder das Sehfeld, grenzt den Bereich der in Frage kommenden Objektive sofort ein und bestimmt die Objektivfamilie, aus der wir wählen können. Beträgt das Vergrößerungsverhältnis 1:1, so ist ein Makroobjektiv geeignet. Diese sind nicht üblich. Wenn wir in der Unendlichkeit arbeiten müssen, gibt es nur eine begrenzte Anzahl von Objektiven, die diese Aufgabe erfüllen können. Soll die Konstruktion im Vergrößerungsmodus arbeiten, muss das Objekt auf dem CCD- oder CMOS-Sensor vergrößert werden, was wiederum auf eine andere Objektivfamilie hinweist.
Auch hier ist es besser, die Auswahl der Objektive und ihre Auswirkungen auf das Gesamtdesign zu beurteilen, bevor man sich auf die anderen Systemkomponenten festlegt. Nehmen wir ein Beispiel aus dem Bereich der industriellen Bildverarbeitung, z.B. Bahninspektion, wo ein Design die Erkennung von Fehlern von 2 Mikrometern erfordert.
Der Kunde gibt ein Black-Box-Maß vor, bei dem innerhalb eines Meters gearbeitet werden muss. Aufgrund der gewählten Sensorgeometrie in der Kamera besteht die Möglichkeit, dass der Fehler von 2 Mikrometern nicht erkannt werden kann. Dann müsste man entweder den Sensor in der Kamera auf eine andere Pixelgröße oder eine andere Pixelanzahl umstellen oder eine ganz andere Kamera wählen - oder man müsste damit leben, weiter weg oder näher am Objekt zu arbeiten. Man müsste wirklich auf etwas verzichten.
Wenn keiner dieser Kompromisse akzeptabel ist, könnte ein größerer in Frage kommen. Ein Objektiv, das innerhalb der Parameter arbeitet, die von der Kamera, dem Sensor, dem Arbeitsabstand und dem Licht diktiert werden, könnte nur Fehler von 3,5 Mikrometern auflösen. Sie können sich vorstellen, wie die Diskussion verlaufen wird.
Natürlich könnte man versucht sein, nach der Entwicklung spezieller Objektive zu fragen. Anstatt Abstriche bei wichtigen Parametern zu machen, die sich auf die Gesamtqualität und -leistung des Bildverarbeitungssystems auswirken, warum nicht das richtige Objektiv für die jeweilige Aufgabe bauen? Das Problem ist natürlich die Zeit - und das Geld - beides ist zu diesem Zeitpunkt meist knapp. Die Entwicklung eines maßgeschneiderten Objektivs für Ihr System kann ein Jahr dauern (die Alternative, ein vorhandenes Objektiv für diese Aufgabe zu modifizieren, kann sechs Monate dauern). Die Entwicklung maßgeschneiderter Objektive ist ein langer Zyklus, der die Entwicklung erster Spezifikationen, die Erstellung von Angeboten, die Entwicklung von Prototypen, die Bewertung von Prototypen und die Serienproduktion umfasst. Und jeder Schritt ist mit viel Arbeit verbunden. Wir werden oft gefragt, ob wir ein Angebot für ein Spezialobjektiv innerhalb einer Woche abgeben können. NEIN! Die erste Spezifizierung dauert in der Regel ein bis vier Wochen, die Angebotserstellung weitere sechs bis acht Wochen. Glauben Sie uns, wenn man es richtig macht, ist es ein sehr aufwendiger Prozess und ein kundenspezifisches Objektiv muss richtig gemacht werden.
Wie viele Entwicklungsteams für Bildverarbeitungssysteme können sich also ein zusätzliches Jahr im Entwicklungszyklus leisten? Oder besser gefragt: Warum haben sie nicht zuerst nach dem Objektiv gefragt? Die eigentliche Antwort ist, dass erfahrene Systementwickler gelernt haben, das Objektiv in einem früheren Stadium des Entwicklungsprozesses zu verlangen oder sich auf die kleinen Wunder zu verlassen, die ihre Optiklieferanten tagtäglich vollbringen, um 80 bis 90 Prozent der ursprünglichen Designspezifikationen zu erfüllen.
Dies bedeutet jedoch nicht, dass das Grundproblem "das Objektiv bis zum Ende zu lassen" verschwindet. Im Folgenden werden einige häufige Fallstricke genannt, mit denen die Entwickler von Bildverarbeitungssystemen heute zu kämpfen haben:
1. Große Sensoren
Die Sensoren in Kameras werden immer größer. Als wir in die Branche eintraten, war ein 8k-Sensor ein großer Sensor, und heute gibt es viele davon, aber auch 12k- und 16k-Sensoren werden immer häufiger eingesetzt. Wir bekommen jetzt Anrufe von Kunden, die sagen, sie haben ein 16k-Array, also ein langes lineares Array von Pixeln, vielleicht 80 mm lang. Das erfordert ein Objektiv, das einen sehr großen Bildkreis erzeugen kann. Aber hier ist das Problem: Sie wollen ein Sichtfeld von 5 mm. Mit Hilfe der Vergrößerungsberechnung, die wir vorhin besprochen haben (die Vergrößerung ist gleich der Länge des Arrays im Verhältnis zur Größe des Objekts), berechnen wir also eine 16-fache Vergrößerung. Es stellt sich heraus, dass man ein Mikroskop mit geringer Leistung benötigt, um diesen riesigen Sensor zu füllen! Es gibt keine Objektive, die in diesen großen Vergrößerungsbereichen mit diesen riesigen Sensoren arbeiten können. Es gibt Objektive für 16-fache Vergrößerung mit kleinen Sensoren, aber nicht für die großen Sensoren. Es gibt sie einfach nicht.
2. Auflösung
Ein Entwicklungsteam möchte einen 5-Megapixel-C-Mount-Sensor verwenden, der normalerweise aus quadratischen Pixeln mit einer Größe von 3,5 Mikrometern besteht. Es wird ein Objektiv benötigt, das einen absoluten Fehler von 1 Mikron auflösen kann. Es werden mindestens zwei Pixel benötigt, um den Defekt abzudecken (eines "an", eines "aus"), so dass ein Rand des Defekts sichtbar ist. Beispiel: Pixelgröße (PS) = 3,5 Mikrometer und der aufzulösende Defekt = 1 Mikrometer. Da wir zwei Pixel benötigen, um den Defekt abzudecken, ist eine Pixel-Sample-Größe (PSS) im Objektraum 1 ÷ 2 = 0,5 Mikrometer. Die Vergrößerung des Systems = PS ÷ PSS = 3,5/0,5 = 7-fache Vergrößerung. Ein weiteres Mikroskop mit geringer Leistung! Aber hier ist das größere Problem: Im Objektraum (den das Objektiv bei dieser 7fachen Vergrößerung betrachtet) soll das Objektiv - jedes Pixel - einen halben Mikrometer auflösen. Wenn wir die Auflösung berechnen, muss das Objektiv 1.000 Linienpaare pro Millimeter im Objektraum auflösen. Kein handelsübliches Objektiv kann das leisten. Die Auflösung reicht nicht aus. Wir sprechen hier von einem Spezialobjektiv.
3. Arbeitsabstand
Viele Teams stolpern über den Arbeitsabstand. Sie kommen zu ihrem Optikpartner und haben bereits viele ihrer Spezifikationen festgelegt: die Kamera, das Sichtfeld, die Pixelgröße und die Sensorlänge, aber den Arbeitsabstand wollen sie dem Optikpartner überlassen. Wenn wir in diesem Fall für sie rechnen würden, könnten wir ein Objektiv finden, das alles bietet, was sie wollen, aber sie müssen mit einem Arbeitsabstand von 250 mm arbeiten. Plötzlich wird aus "Nein, Jungs, ihr wählt aus" ein "Aber ich muss mit einem Abstand von 100 mm arbeiten". Ist der Arbeitsabstand erst einmal gesprengt, sind es auch die Abmessungen der Blackbox.
Eine schlechte Angewohnheit, mit der es sich zu brechen lohnt
In den letzten 20 Jahren haben wir unzählige Fälle erlebt, in denen schmerzhafte Designentscheidungen getroffen wurden, weil Objektivüberlegungen bis zur letzten Minute ignoriert wurden. Wir wünschten, wir könnten sagen, dass sich dieses Phänomen auflöst, dass "die Lektionen gelernt wurden" und dass ein neues goldenes Zeitalter der simultanen Entwicklung vor uns liegt.
Aber so ist es nicht. Jeden Tag kommen neue Anekdoten hinzu, die sowohl erfahrene als auch junge Ingenieurteams zu harten Kompromissen zwingen. Unser Rat? Seien Sie nicht wie sie. Das Objektiv ist zu wichtig für den Erfolg Ihres Bildverarbeitungssystems, um es als Nebensache zu behandeln. Bringen Sie das Objektiv in den Vordergrund Ihrer Designplanung, machen Sie Concurrent Engineering zur neuen Normalität und beginnen Sie mit dem Bau Ihrer bisher besten Bildverarbeitungssysteme.
