Liquid Lens Guideline
TITELSTORY: Optimale Ergebnisse mit Flüssiglinsen-Objektiven
Flüssiglinsen sind nach wie vor eines der aktuellsten Themen, wenn es um Optik-Innovationen im Machine Vision Umfeld geht. Der folgende Beitrag gibt eine Übersicht über vorhandene Produkte und zeigt, was beim Einsatz von Flüssiglinsenobjektiven beachtet werden sollten.
Bild: Edmund Optics GmbHImmer mehr Hersteller sind mit Objektiven basierend auf den Flüssiglinsen von Optotune- oder Corning Varioptic am Markt vertreten, sei es mit telezentrischen Objektiven, im Bereich Mikroskopie oder mit Festbrennweitenobjektiven. Während im letzten Fachbeitrag die Technologien der beiden genannten Hersteller vorgestellt wurden (inVISION 1/20 S. 38 'Flüssiglinsentechnologien im Vergleich'), gibt dieser Beitrag eine Übersicht über die verschiedenen Produkte und beleuchtet Aspekte, die beim Einsatz der verschiedenen Typen von Flüssiglinsenobjektiven beachtet werden sollten.
Bild: Edmund Optics GmbHS-Mount Objektive
Bei S-Mount Objektiven mit Flüssiglinse ergibt sich bei der Frage nach der optimalen Bildqualität eine weitere Komplikation. Anders als für C-Mount Objektive ist für den S-Mount kein Auflagemaß definiert, wodurch sie in der Regel auch keinen mechanischen Flansch haben, bis zu dem man die Objektive ´auf Anschlag´ auf eine Kamera schraubt. Die Objektive können daher auf zwei Arten fokussiert werden. Auf der einen Seite durch den 'mechanischen Fokus', sprich das Heraus- bzw. Hereindrehen am Kameramount, auf der anderen Seite durch die Flüssiglinse. Um das optimale Ergebnis an Bildqualität zu erzielen, ist es aber notwendig zu wissen, wo beim Design des Objektivs die Schwerpunkte gesetzt wurden. Beispielsweise kann das Design so ausgelegt sein, dass das Objektiv die besten Ergebnisse erzielt, wenn man die Flüssiglinse ohne Brechkraft betreibt (0 Dioptrien). In diesem Fall sollte der mechanische Fokus so eingestellt sein, dass bei 0dpt an der Flüssiglinse ein scharfes Bild in der Mitte des benötigten Fokusbereichs entsteht. Das hierzu gehörige Auflagemaß ist jedoch ohne Einblick in das Optikdesign nicht ohne Weiteres zu bestimmen. Schließlich kann man die S-Mount Objektive nicht herein- bzw. herausschrauben während sie angeschlossen sind. Daher ist es einfacher, diese Information vorab beim Hersteller anzufragen. Alternativ können sich Kamera- und Objektivhersteller im Vorfeld der Produktentwicklung abstimmen: Ist dem Optikdesigner das mechanische Layout einer Platinenkamera bekannt, kann das Objektiv mit dem dazu passenden Auflagemaß entwickelt werden. In dem Fall kann man das Objektiv auch mit einem festen mechanischen Anschlag versehen, sodass der Nutzer das S-Mount Objektiv genau wie ein C-Mount Objektiv einfach auf die darauf abgestimmten Kameras schrauben kann, ohne sich weiter Gedanken zur Bildqualität machen zu müssen. Dies war die Herangehensweise bei der Entwicklung der M12-Flüssiglinsenobjektivserie von Edmund Optics, die auf die Autofokus-Kameras von IDS abgestimmt ist. Als weiteres Feature verfügt das Objektivgehäuse über zwei gegenüberliegende Schlitze für das Flachbandkabel der Flüssiglinse. Sollte sich nach dem Einbau des Objektivs herausstellen, dass die zum Kabel dazugehörige Buchse auf der Kameraplatine auf der gegenüberliegenden Seite liegt, kann der Nutzer einfach die vordere Baugruppe des Objektivs abschrauben und die Flüssiglinse um 180° drehen. Hierdurch wird der Zusammenbau des Kamera-Objektiv-Systems signifikant vereinfacht.
Bild: Edmund Optics GmbHC-Mount Objektive
Der gleiche Sachverhalt gilt prinzipiell auch für C-Mount Objektive mit Flüssiglinse. Diese verfügen über ein definiertes Auflagemaß und einen mechanischen Anschlag. Entsprechend sind die meisten Objektive so ausgelegt, dass man sie 'wie gewohnt' fest mit der Kamera verschraubt und die Fokussierung der Flüssiglinse überlässt. Dennoch kann es sein, dass gerade bei kurzen Arbeitsabständen bessere Ergebnisse erzielt werden, wenn mit einem Abstandsring geeigneter Dicke gearbeitet wird, um den mechanischen Fokus anzupassen und die Brechkraft der Flüssiglinse selbst so gering wie möglich zu halten. Um diesen Freiheitsgrad nicht zu verlieren, wurde die Cx Serie von Edmund Optics trotz des C-Mount Anschlusses ohne festen Flansch ausgelegt. Stattdessen wird ein Konterring verwendet, sodass für jede Anwendung der optimale mechanische Fokus genutzt werden kann, ohne bei der mechanischen Stabilität des Systems Abstriche machen zu müssen. Aber auch unabhängig vom Hersteller lohnt hier die direkte Nachfrage, damit unter Annahme der für die Anwendung zutreffenden Parameter die ideale Balance zwischen mechanischem Fokus und Flüssiglinsenfokus berechnet und verwendet werden kann. Bild 2 zeigt einen Vergleich der Abbildungsleistung eines Flüssiglinsenobjektivs. Unter ansonsten gleichen Bedingungen ist in Bild 2a die MTF-Kurve eines optimierten Systems zu sehen: Der mechanische Fokus wurde genutzt, um bei 'flacher' Flüssiglinse (0dpt) auf 350mm Arbeitsabstand zu fokussieren. Die hintere Schnittweite, d.h. die Distanz zwischen der letzten Optik und der Bildebene, beträgt 13,7mm. Im Bild 2b wurde das Objektiv exemplarisch auf 500mm Arbeitsabstand optimiert: Mit 0dpt an der Flüssiglinse wurde zunächst eine hintere Schnittweite von 13,1mm festgelegt. Von diesem Arbeitspunkt aus wurde nun mit Hilfe der Flüssiglinse zurück auf 350mm fokussiert. Als Ergebnis erhält man eine durchweg geringere Bildqualität. Bei 150lp/mm liegt sowohl die MTF-Performance in der Bildmitte als auch die am Rand ca.10% niedriger als im optimierten System (Kontrast beträgt ~20% statt ~30%).
Bild: Edmund Optics GmbHTelezentrische Objektive
Telezentrische Objektive sind in aller Regel für einen bestimmten Arbeitsabstand ausgelegt. Wie bei Festbrennweitenobjektiven lässt sich auch hier durch die Integration einer Flüssiglinse anstelle der Blende ein Fokusmechanismus realisieren, sodass Messungen nun in einem gewissen Arbeitsabstandsbereich durchgeführt werden können. Der Preis für diese Flexibilität liegt allerdings im Mehraufwand bei der Kalibration des Systems, da sich die Vergrößerung des Objektivs, je nach Brechkraft der Flüssiglinse, verändert. Bild 3 zeigt diesen Effekt exemplarisch anhand des 0,37X Objektivs der Mercury-Serie von Edmund Optics. Im spezifizierten Arbeitsabstandsbereich von 84 bis 100mm variiert die Vergrößerung von 0,366X bis 0,380X. Der Effekt ist jedoch in guter Näherung linear und reproduzierbar, sodass eine Kalibration des Messsystems möglich ist.
Fazit und Ausblick
Auch bei der Konzeptionierung anspruchsvoller Anwendungslösungen mit Flüssiglinsen ist mit einem gewissen Aufwand zur Bestimmung der optimalen Parameter zu rechnen. Die direkte Kommunikation mit dem Objektivhersteller und das frühzeitige Testen der Hardware sind hierbei der Schlüssel für eine erfolgreiche Implementierung eines solchen Systems. Sind die idealen Parameter festgelegt und handelt es sich um ein Projekt mit größeren Stückzahlen, kann der Objektivhersteller das mechanische Design der Objektive kundenspezifisch anpassen, um die Integration der Flüssiglinsenobjektive in der Serie zu vereinfachen. Seit August ist übrigens bei Corning Varioptic eine Flüssiglinse mit 5,8mm freier Apertur erhältlich. Insbesondere für Objektive für 2/3" Sensoren ist dies interessant, da man dort bisher mit den kleineren Flüssiglinsen noch auf vergleichsweise langsamere F-Zahlen (F/4 - F/7) beschränkt war. Abschließend sei auch auf die 2019 initiierte Open Optics Camera Interface (OOCI) Arbeitsgruppe der EMVA verwiesen. Diese arbeitet an einer standardisierten Schnittstelle, welche die Kommunikation zwischen Objektiv und Kamera ermöglichen soll. Neben namhaften Kamera- und Objektivherstellern sind auch die Flüssiglinsenhersteller in die Arbeiten eingebunden. n @Kontakt _FA:www.edmundoptics.de
Flüssiglinsen sind nach wie vor eines der aktuellsten Themen, wenn es um Optik-Innovationen im Machine Vision Umfeld geht. Der folgende Beitrag gibt eine Übersicht über vorhandene Produkte und zeigt, was beim Einsatz von Flüssiglinsenobjektiven beachtet werden sollten.
Bild: Edmund Optics GmbHImmer mehr Hersteller sind mit Objektiven basierend auf den Flüssiglinsen von Optotune- oder Corning Varioptic am Markt vertreten, sei es mit telezentrischen Objektiven, im Bereich Mikroskopie oder mit Festbrennweitenobjektiven. Während im letzten Fachbeitrag die Technologien der beiden genannten Hersteller vorgestellt wurden (inVISION 1/20 S. 38 'Flüssiglinsentechnologien im Vergleich'), gibt dieser Beitrag eine Übersicht über die verschiedenen Produkte und beleuchtet Aspekte, die beim Einsatz der verschiedenen Typen von Flüssiglinsenobjektiven beachtet werden sollten.
Edmund Optics GmbH
Dieser Artikel erschien in www.invision-news.de 2020 - 01.09.20.Für weitere Artikel besuchen Sie www.invision-news.de
