Aufgrund der extremen Steigerung der Leistungsfähigkeit von Farbsensoren mit besonders hohen Pixeldichten werden diese immer häufiger in modernen Aufbauten zur industriellen Bildverarbeitung eingesetzt. Dabei unterteilt ein Bayer-Pattern das einfallende Weißlicht in drei verschiedene Farbkanäle und erhält somit eine Farbinformation. Wegen der Dispersion von Weißlicht, welches aus allen Wellenlängen im sichtbaren Bereich besteht, müssen Objektive für derartige Farbanwendungen speziell auf den breiten Spektralbereich angepasst werden. Darüber hinaus müssen die Linsen mit einer Breitbandvergütung versehen werden, um eine maximale Transmission zu erzielen. Sill Optics deckt diesen Markt mit seiner „Color“-Serie ab.
Sill Optics Color-Serie für Anwendungen mit Weißlichtbeleuchtung
In der industriellen Bildverarbeitung wurden wegen der besseren Auflösung in der Vergangenheit meist Schwarz-Weiß-Sensoren eingesetzt. Da bei Farbsensoren vier zusammengeschaltete Pixel Position und Farbwert ermitteln, ist die Pixelgröße viermal so groß wie bei Schwarz-Weiß-Sensoren mit den gleichen Spezifikationen. Das vorgeschaltete Bayer-Pattern fungiert als Filter, der pro Pixel nur eine Farbe (rot, grün oder blau) durchlässt. Pro Pixel kann nur eine Wellenlänge das Bayer-Pattern passieren, wo dann die Intensität einer Farbe gemessen wird. Anschließend wird die Farbinformation zweier grünen, eines blauen und eines roten Kanals miteinander verrechnet, wodurch eine Mischfarbe entsteht.
Der technische Fortschritt der letzten Jahre ermöglichte eine starke Reduktion der Pixelgröße und somit kleine und gleichzeitig sehr leistungsstarke Sensoren mit hohen Pixeldichten. In diesem Zuge lösten Farbsensoren zunehmend Schwarz-Weiß-Sensoren ab. Dabei entstandene Auflösungsverluste konnten durch die zusätzliche Farbinformation wettgemacht werden.
Telezentrische farbkorrigierte Abbildungsobjektive für Anlagen zur Prozessüberwachung
Heute bestehen daher viele Anlagen zur Prozessüberwachung aus einer möglichst homogenen Weißlichtquelle, welche das Objekt entweder von hinten, durch das Objektiv oder von der Seite aus beleuchtet, einem telezentrischen farbkorrigierten Abbildungsobjektiv und einer Kamera mit Bayer-Pattern und Farbsensor. Diese Aufbauten können selbstverständlich auch die komplette Abbildungskapazität des Sensors ausschöpfen und Schwarz-Weiß-Bilder ohne das Bayer-Pattern machen. In diesem Fall sollte das Objekt im Idealfall mit einer nicht‑weißen Lichtquelle (nur eine Wellenlänge) beleuchtet werden, um auch beim Objektiv die maximale Auflösung zu erreichen.
Die Auflösung des abbildenden Objektivs sollte im gesamten spektralen Bereich der Lichtquelle mindestens so gut sein wie die des Sensors, um die Abbildungsqualität des Gesamtsystems nicht zu reduzieren. Die Auflösung des gesamten Systems ist dabei immer so gut wie die des schwächsten Glieds, also dem Teil mit der schlechtesten Auflösung.
Die Dispersion von Gläsern kann durch einen Versuch mit einem Prisma unter einer Weißlichtquelle nachgewiesen werden. Hierbei zeigt sich durch die regenbogenartige Abbildung der Spektralfarben die Abhängigkeit der Materialbrechzahl von der Wellenlänge.
Objektive für Farbanwendungen
Da weißes Licht aus allen Wellenlängen im sichtbaren Bereich (ca. 450 nm bis 700 nm) besteht, ist es wichtig, dass Objektive für Farbanwendungen ein möglichst konstantes Verhalten in diesem Spektralbereich zeigen. Ansonsten kommt es durch Farbschatten zu Unschärfe. Durch eine geschickte Kombination von niedrigbrechenden Kron- und hochbrechenden Flintgläsern wird ein möglichst achromatisches Verhalten des Objektivs angestrebt. Dabei werden in erster Linie chromatische Längsfehler, die zu einer Fokusverschiebung entlang der optischen Achse führen, und laterale Farbquerfehler, die zu einer Verschiebung senkrecht zur optischen Achse führen, im optischen Design eliminiert.
Neben einem hochwertigen Optikdesign ist auch eine absorptionsarme Breitbandvergütung wichtig, die für einen möglichst hohen Anteil an transmittiertem Licht sorgt. Alle Linsen werden daher mit einem komplizierten Schichtsystem aus hoch- und niedrigbrechenden Materialien bedampft, wodurch der reflektierte Anteil bei einem Übergang von Luft in Glas (oder anders herum) von ca. 4% auf ca. 0,5% reduziert wird. Bei einem 5-linsigen Objektiv wird dadurch die Gesamttransmission von 66,5% [= (100% - 4%)10] auf einen Wert von 95,1% [= (100% ‑ 0,5%)10] erhöht.
Optiken für Farbanwendungen mit Weißlichtquellen
Um den Markt auch für Farbanwendungen mit Weißlichtquellen abzudecken hat Sill Optics seine erfolgreichsten Serien an telezentrischen Objektiven einer Farbkorrektur unterzogen. Dabei wurden die technischen Spezifikationen erhalten und darüber hinaus ein weitgehend achromatisches Verhalten mit minimalen Farbfehlern im sichtbaren Bereich erzielt. Die „Color“-Version ermöglicht hochpräzise Messaufgaben mit hochauflösenden Farbbildern. Außerdem werden Wellenlängen im Nahinfraroten Bereich mit einem leichten Versatz des Arbeitsabstandes ebenso abgedeckt. Die Serie enthält die etwas kleineren Objektive aus der T85‑Serie sowie ausgewählte Objektive aus der T120-Serie für größere Messobjekte mit Durchmessern bis 123 mm. Die Farbobjektive von Sill Optics sind für alle Sensorgrößen im Bereich von 0,5“ bis 1,1“ geeignet und verfügen über einen C‑Mount Anschluss zur Anbringung der Kamera sowie eine variabel einstellbare Blende.
Kundenspezifische Versionen, die speziell auf individuelle Bedürfnisse zugeschnitten sind, sind das Kernangebot von Sill Optics. Auf Anfrage können Eckdaten wie z.B. der Anschluss jederzeit modifiziert werden. Sill Optics ermöglicht auch andere Vergrößerungen, Wellenlängenbereiche oder freie Aperturen.
Dieser Artikel ist im Original erschienen in inVision 6/22, S. 12 unter dem Titel "Farbfehlerkorrektur".
