Präzisionsoptiken zur Maschinenintegration – Industrielle Mikroskopie

Gastbeitrag

Ohne vernünftige Optik, kein gescheites Bild. Das gilt für die direkte Beobachtung mit dem Auge, wie für die automatische Bildauswertung durch ein Kamerasystem. Insbesondere für die Bildverarbeitung (BV) gilt, dass die Generierung eines guten Bildes mittels optimal abgestimmter Kamera, Optik und Beleuchtung die Verarbeitung ungemein erleichtert oder manchmal auch erst möglich macht. Dies ist die Domäne der Fa. Opto GmbH aus Gräfelfing bei München. In diesem Fachbeitrag werden Aspekte der Bildgewinnung aufgezeigt und Anwendungsbeispiele dargestellt.

Brillenträger wissen genau, dass sie mit einer falschen Brille schlecht sehen können. Hier müssen nicht nur die Dioptrien sondern auch die optischen Achsen, Entspiegelungen, Gleitsichtbereiche und eventuell (automatische) Tönungen berücksichtigt werden. Ganz abgesehen davon, dass man gutes Licht zum Sehen braucht.

Aspekte der Bildgewinnung

Nicht anders ist das beim maschinellen Sehen mit einem automatisierten Kamerasystem. Hier müssen sicherlich noch mehr Aspekte berücksichtigt werden:

  • – Bildfeldgröße, Abbildungsmaßstab, Auflösung:
    Diese Punkte hängen voneinander ab. Zunächst muss das Objekt komplett vom Bild aufgenommen werden. Das definiert die Bildfeldgröße und den Abbildungsmaßstab. Dann sollten die kleinsten noch zu messenden Details gut aufgelöst sein. In einem Kamerabild sollten solche Details, wie z.B. Schmutzpartikel, mindestens 4 x 4 Pixel einnehmen. Damit ist dann auch die Auflösung durch die Kamera bestimmt.
  • – Arbeitsabstände, Brennweiten:
    Nicht immer kann man beliebig nah an das Objekt der Begierde heran. Manchmal muss Platz für Handlingssysteme oder Beleuchtungen vorhanden sein. Ist dem so, eignen sich sogenannte „Long Working Distance Objektive“, die einen besonders großen Arbeitsabstand zum Objekt aufweisen. Zusammen mit der vorher schon definierten Bildfeldgröße ist so auch die Brennweite des Objektivs klar.
  • – Telezentrie:
    Telezentrische Objektive werden meist für Messaufgaben herangezogen, bei denen eine perspektivische Verzerrung vermieden werden muss. Das heißt, dass sich der Abbildungsmaßstab nicht ändert, auch wenn der Arbeitsabstand variiert. Dies erreicht man durch parallele Strahlengänge zumindest vor dem Objektiv. Dadurch wird der Durchmesser des Objektivs jedoch größer als das Objekt. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass auch diese Objektive einen Schärfentiefen- oder Telezentriebereich haben.
  • – Abbildungsfehler (Verzeichnung, Vignettierung, Farbfehler):
    Alle abbildenden Systeme weisen Fehler auf. Viele Abbildungsfehler entstehen durch sogenannte achsenferne Strahlen. Je nach Anwendungsfall müssen diese Fehler minimiert werden.
  • – Geometrische Einbauabmessungen, (beengte) Platzverhältnisse, Gewicht:
    Optiken sind volumenbehaftet und müssen meist in einen Gesamtaufbau integriert werden. Zwar können z.B. über 90°-Umlenkungen auch schwierige Fälle gelöst werden, jedoch empfiehlt es sich bei der Konstruktion des Gesamtsystems die optischen Systeme frühzeitig zu berücksichtigen.
  • – Filter, Spektralbereiche, Polarisationszustände:
    Häufig sind Details durch bestimmte Farben oder sonstige Lichteigenschaften erkennbar. Durch Filter können die weniger interessanten Lichtanteile reduziert und gefährliche geblockt werden.
  • – Aperturen, Lichtstärke, Schärfentiefe:
    Ist wenig Licht vorhanden oder es müssen kurze Belichtungszeiten, z.B. bei bewegten Objekten, realisiert werden, eignen sich lichtstarke Objektive mit einer großen Öffnungsweite. Allerdings: je größer die ist, desto kleiner wird die Schärfentiefe.
  • – Beleuchtungen:
    Mit der richtigen Beleuchtung können die Aspekte hervorgehoben werden, die von Interesse sind. Auswahlmöglichkeiten sind z.B. Durchlicht-, Dunkelfeld- und Auflicht beleuchtung (Köhlersche Beleuchtung) sowie Farben und Polarisationszustände. Durch Anregung mit UV-Strahlung kann rotverschobene Fluoreszenz induziert werden. Zur Detektion der Fluoreszenz wird dann die UV-Strahlung heraus gefiltert. Mittels strukturierter Beleuchtung können Höheninformationen gewonnen werden.
  • – Kameraeigenschaften:
    Heutzutage werden meistens digitale Kameras (CCD oder CMOS) eingesetzt. Wichtigste Kenngröße ist die Auflösung, also die Anzahl der Sensorelemente (Pixel), welche zum einen aus der Pixelgröße und zum andern der Größe der aktiven Fläche des Chips resultiert. Weitere Eigenschaften sind die spektrale Empfindlichkeit (UV, VIS, NIR, IR), Farbe oder monochrom, Schnittstelle der Bildübertragung, Auslesegerschwindigkeit (frames per second, fps). Zukünftig werden sogenannte Lichtfeld-, Plenoptik- oder Multi-Apertur-Kameras prominenter, mit denen nachträglich die gewünschte Schärfentiefenebene gewählt werden kann.
  • – 2D oder 3D:
    Um dreidimensionale Bilder zu erhalten, können im wesentlichen drei unterschiedliche Prinzipien genutzt werden: Triangulation, Lichtlaufzeitmessung und Interferometrie. Weitere gängige Verfahren sind Shape from Focus und Shape from Shading.
  • – Mechanische Eigenschaften:
    Zur Integration in Maschinen müssen optische Systeme z.B. durch Gewindebohrungen oder Klemmungen gehalten werden. Verstellmöglichkeiten von Blenden, Entfernungs- und Maßstabseinstellungen müssen reproduzierbar, stabil oder auch rastbar ausgelegt sein.
  • – Robustheit, Berücksichtigung der (industriellen) Umgebungsbedingungen:
    Immer wieder müssen widrige Bedingungen berücksichtigt werden, wie Beschleunigungen (Stöße, Vibrationen), Schmutz und (Luft-) Feuchtigkeiten oder Fremdlicht (Sonne). Zusätzlich kann immer mal wieder etwas beschädigt werden. Dann sollten die schadhaften Komponenten leicht ersetzt, justiert und kalibriert werden können.

Es gibt also sehr viele Aspekte bei der Integration von Optiken in Maschinen zu berücksichtigen. Erschwerend kommt hinzu, dass sich viele Aspekte gegenseitig beeinflussen oder sogar gegenläufig wirken. Da bedarf es viel Erfahrung mit der der Kombination von optischen und mechanischen Komponenten sowie ein gutes Einarbeitungsvermögen in typische industrielle Aufgabenstellungen, welches die Fa. Opto schon vielfach bewiesen hat.

Typische Anwendungen
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Die Anwendungsfelder für die Integration hochpräziser Optiken in Maschinen sind so vielfältig, wie die Spezialiserungen der Sondermaschinenbauer. Das reicht von der Medizin- und Halbleiterbranche über den gesamten Automotivemarkt bis hin zu Bildung und Forschung. Dabei genügt es nicht, sich „nur mit Linsen“ auszukennen. Ein Team aus Feinmechanikern, Elektronikern, Ingenieuren, Physikern und Mechatronikern ist nötig, die sich auf die wesentlichen Anforderungen der optomechatronischen Lösung zu konzentrieren. Die folgenden Beispiele sollen die Komplexität typischer Aufgabenstellungen von Opto verdeutlichen.

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Optische Augenoperation

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Opto eyetracker Foto: Opto
Opto eyetracker
Foto: Opto GmbH
Opto swiveling-microscope Foto: Opto
Opto swiveling-microscope
Foto: Opto GmbH

 

 

 

 

 

 

 

 

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Zur Behebung von Fehlsichtigkeiten hat Opto für die Fa. Schwind ein Stereomikroskopmodul entwickelt, mit dem der operierende Augenarzt die gesamte Laserbehandlung überwachen und den Operationslaser einrichten kann. Dazu müssen insgesamt bis zu 10 optische Strahlengänge (z.B. Eyetracker, Leistungsmessgeräte und Überwachungskameras) optimal auf das menschliche Auge ausgerichtet werden, damit der fokussierte UV-Laserstrahl die Hornhaut exakt zu einer Korrekturlinse formen kann (LASIK-Verfahren), wobei sich das Auge auch noch bewegen kann. Eine Schwierigkeit die Opto zu lösen hatte war, dass sich die Transmissions- und Brecheigenschaften vom UV-Licht des Lasers drastisch von denen des sichtbaren Lichts unterscheidet, mit dem der Operateur die Behandlung überwacht. Dazu stehen ihm fünf Vergrößerungsstufen zur Verfügung, die er über ein Touchpanel oder einen Fußschalter bedienen kann.

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Inspektionen von Zylinderlaufbahnen

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Opto  CylinderInspector Foto: Opto
Opto CylinderInspector
Foto: Opto GmbH
Opto Honriefen Foto: Opto
Opto Honriefen
Foto: Opto GmbH

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Das Herzstück eines jeden Verbrennungsmotors sind Kolben und Zylinderlaufbahn. Diese werden immer weiter optimiert, um möglichst viel Leistung unter Reduzierung schädlicher Emissionen zu erreichen. Zylinderlaufbahnen müssen dazu mehrere Aufgaben lösen: sie müssen eine gute Dichtfläche gegen den Verbrennungsdruck haben, den schmierenden Ölfilm aufrecht erhalten, Wärme ableiten und zudem langfristig mechanisch stabil sein.

Um die Oberfläche der Zylinderlaufbahnen auf die Vorgaben der Motorenhersteller hin überprüfen zu können, hat Opto den CylinderInspector entwickelt. Dabei handelt es sich im wesentlichen um eine Kombination aus Stativ, Mikroskop mit einer 90°-Optik und einer speziellen LED-Beleuchtungseinheit. Mikroskop und Beleuchtung fahren in den Zylinder ein, können sich drehen und erlauben dem Oberflächenspezialisten das Inspizieren des Livebildes am Monitor. Mit der digitalen Kamera können Bilder der Zylinderlaufbahn aufgenommen werden und mittels einer mitgelieferten Software vermessen und analysiert werden. Auswertekriterien sind Herstellerspezifisch z.B. das Messen des Honwinkels. Der Einsatz erfolgt in verschiedenen Stufen des Herstellungsprozesses sowohl für die Serienproduktion als auch für Kleinserien im Hochleistungsbereich wie z.B. für den Motorsport

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Strahlauskopplung für Spektralanalysen

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Opto Spektralauskopplung Foto: Opto
Opto Spektralauskopplung
Foto: Opto GmbH
Opto phase-fraction Foto: Opto GmbH
Opto phase-fraction
Foto: Opto GmbH

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Für viele Analysen von farbigen Proben ist der Einsatz von aufwendigen Spektrographen unnötig oder sogar ungeeignet. Insbesondere wenn die gesamte Bildinformation eines Farbbereichs nötig ist. Ein Beispiel ist das Fluoreszenzbild einer durch UV-Licht angeregten Probe. Hierbei muss das viel intensivere und störende UV-Licht wirksam herausgefiltert werden.
Für solche Aufgaben hat Opto auf Basis der üblichen Stereomikroskope von Leica, Nikon, Olympus oder Zeiss eine spektrale Auskopplung entwickelt. In die parallelen Strahlengänge sind Strahlteiler montiert, die ein Teil des Lichtes auskoppeln. Farbfilter lassen dann nur die interessanten Spektralbereiche zu den Digitalkameras. Insgesamt lassen sich so bis zu vier Strahlengänge sinnvoll auskoppeln, die jeweils unterschiedlich gefiltert werden können.

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Fazit
Bei der Konstruktion von präzisen (Mikroskop-) Optiken müssen viele Aspekte berücksichtigt und anwendungsspezifisch abgewogen werden. Dies gilt nicht nur für Serienprodukte sondern auch bei Spezialanfertigungen. Insbesondere bei solchen, die in Maschinen integriert werden und man dort die umgebungsspezifischen Besonderheiten zusätzlich berücksichtigen muss. Dann ist nicht nur Fachwissen über Optik wichtig sondern auch über Mechanik und elektronische Schnittstellen.

Dr. Helge Moritz

Opto GmbH

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