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Tutorial zu 360°-Optiken

Optiken für die Inspektion von Innenflächen

Lochinspektionsoptik

Siehe auch

Viele Bildverarbeitungsanwendungen verlangen die komplette einer Objektoberfläche, da sich viele zu untersuchende Eigenschaften nicht auf der Oberseite, sondern an den Seiten des Objekts befinden.

Die meisten zylindrischen Objekte wie Flaschen, verschiedene Behälter oder auch viele mechanische Teile verlangen eine Untersuchung mittels 360 Grad Optiken Seitenflächen, um Kratzer und Unreinheiten zu entdecken, um einen Barcode zu lesen oder um sicherzustellen, dass gewisse Schriften korrekt gedruckt wurden.

In solchen Fällen werden oftmals einfach mehrere Kameras verwendet (normalerweise 3 oder 4), um so zusätzlich zur Oberansicht mehrere Seitenansichten des zu untersuchenden Prüfteils und so eine 360 Grad Ansicht zu erhalten. Diese Lösung erhöht nicht nur die Kosten des Systems, sondern führt zudem zu begrenzten Systemleistungen, da die Elektronik oder die Software mehrere Bilder von mehreren Kameras gleichzeitig verarbeiten muss.

In manchen Applikationsfällen der 360 Grad Optiken, ziehen es Bildverarbeitungsingenieure vor, eine Zeilenkamera einzubauen, die Zeile für Zeile Außenfläche die Aussenfläche des Objekts zu scannen. Auch diese Methode weist Schwachstellen bezüglich Technik und Kosten auf, denn das Objekt muss mit einem teuren Mechanismus zum Rotieren gebracht werden, der auch die Kontrollgeschwindigkeit beeinträchtigt. Zudem benötigen Zeilenkameras eine sehr starke Beleuchtung und die Breite von linearen Detektoren erhöht die Vergrößerung des optischen Systems, wobei die Tiefenschärfe verringert wird.

Aus diesen Gründen suchen mehrere Integratoren nach optischen Lösungen mit einer einzigen Kamera, die keine Rotation des Prüfteils erfordern.

Verschiedene Arten eines optischen Aufbaus ermöglichen dies: Perizentrische Objektive, Optiken zur Lochinspektion, Katadioptrische (Multi-Spiegel) Systeme und weitere Arten optischer Sonden und Systeme.

Optische Funktionsweise eines perizentrischen Objektivs
Optische Funktionsweise eines perizentrischen Objektivs

Perizentrische Objektive bieten Systemintegratoren genau das, was diese wollen: ein einziges Bild mit allen zu untersuchenden Objekteigenschaften. Eine solche Abbildung wird oft durch eine Software abgewickelt, damit die Objektansicht gerade und so die Bildanalyse noch einfacher wird.

Wie ein perizentrisches Objektiv ein Prüfteil von der Seite abbildet
Wie ein perizentrisches Objektiv ein Prüfteil von der Seite abbildet

Die Inspektion der Aussenflächen kann durch optische Techniken, die auf Multi-Spiegel-Systemen basieren, noch optimiert werden.

Eine ungewöhnlicher Ansatz besteht darin, das Objekt mit einem telezentrischen Objektiv durch ein Spiegelsystem zu betrachten.

So können vier oder mehr verschiedene Seitenansichten eines Objekts aufgenommen werden, und wenn die Spiegel so ausgerichtet sind, dass sie in jedem Bild im gleichen Strahlengang liegen, wird das Objekt perfekt fokussiert. Das telezentrische Objektiv garantiert zudem, dass die verschiedenen Bilder exakt die gleiche Vergrößerung und den gleichen Sichtwinkel aufweisen, so dass die Software perfekte Bildabgleichungsverfahren durchführen kann. Aus diesem Grund ist dies auch die passende Konfiguration für Messzwecke.

Telezentrisches Objektiv gekoppelt mit einem Spiegelsystem, um 4 verschiedene Seitenansichten eines Prüfteils zu erhalten
Telezentrisches Objektiv gekoppelt mit einem Spiegelsystem, um 4 verschiedene Seitenansichten eines Prüfteils zu erhalten

Eine Lösung, die die Vorteile sowohl perizentrischer als auch telezentrischer Objektive mit Spiegelsystemen aufweist, sind die Polyview-Objektive. Diese optischen Multi-Spiegel-Systeme liefern mehrfache (4, 6, 8 oder mehr) Seitenansichten ein und desselben Objekts, das aus einer praktischen Perspektive betrachtet wird. Dadurch sind diese Optiken für die Inspektion von Aussen- wie Innenflächen (Löcher). Alle Seitenansichten werden in der gleichen Kameraaufnahme abgebildet, so dass wie bei den perizentrischen Objektiven alle relevanten Informationen im gleichen Bild zu finden sind.

Polyview-Objektive garantieren außerdem eine sehr gute Bildauflösung und ermöglichen eine Bilderfassung bei Hochgeschwindigkeit, da sie mit tiefen Blendenzahlen funktionieren.

Funktionsweise von Polyview-Objektiven sowie ein Testbild von dieser Art Objektiv
Funktionsweise von Polyview-Objektiven sowie ein Testbild von dieser Art Objektiv

Optiken für die Inspektion von Innenflächen

Polyview-Objektive funktionieren sehr gut zur Untersuchung der Innenwände eines Hohlraums. In manchen Fällen können andere Lösungen jedoch effizienter und kompakter sein. Wenn beispielsweise Optiken zur Lochinspektion für die Untersuchung eines Hohlraums verwendet werden, sind die resultierenden Abbildungen vergleichbar mit jenen von perizentrischen Objektiven.

Wie perizentrische Objektive sind auch die Optiken zur Lochinspektion nicht auf einen flachen, sondern auf einen gewölbten Bildbereich zugeschnitten sind: Objektive zur Lochinspektion garantieren perfekten Fokus auf zylindrischen Hohlräumen und ermöglichen so eine effiziente Kontrolle von Hohlraum- und Behälterflächen. Die Innenflächen werden dank dem weiten perspektivischen Winkel detailliert abgebildet, ohne dass eine optische Sonde in das Prüfteil eingeführt werden muss.

Funktionsweise von Optiken zur Lochinspektion sowie eine Illustration der Art und Weise, wie Hohlräume oder Löcher abgebildet werden
Funktionsweise von Optiken zur Lochinspektion sowie eine Illustration der Art und Weise, wie Hohlräume oder Löcher abgebildet werden

Lochinspektionsoptik

Optiken zur Lochinspektion sind mit den meisten Anwendungen kompatibel, doch sie ermöglichen keine senkrechte Ansicht einer Lochoberfläche. Eine solche könnte beispielsweise beim Betrachten von Gewinden oder Hohlräumen vonnöten sein, bei denen manche wichtigen Eigenschaften von der Aussenseite nicht sichtbar wären.

In solchen Fällen muss eine optische Sonde eingeführt werden. Häufig werden Glasfaser-basierte Komponenten wie etwa Fiberskope, Boroskope oder andere Geräte mit geordneten Glasfaserbündeln, die das Bild vom Hohlraum zum Kameradetektor senden. Leider sind solche Geräte oft sehr limitiert, weil sie nur eine bestimmte Anzahl von Bündeln enthalten können und diese Maximalzahl oft weit unter der Anzahl Pixel einer tiefauflösenden Kamera liegt. Aus diesem Grund ist eine direkte Kopplung mit der Kamera für kontrastreiche Bilder die bessere Lösung: Dies wird mithilfe von optischen Sonden mit einem speziellen Makroobjektiv erreicht, das die Hohlraumwände durch einen sphärischen oder asphärischen Spiegel abbildet. Solche Lösungen erlauben es, kleine Defekte über einen bestimmten Wanddickenbereich zu entdecken: Wenn die Inspektion auf eine bestimmte Lochhöhe beschränkt ist, wird das Absuchen des Hohlraums über seine gesamte Dicke mit solchen optischen Sonden unnötig.

Wie eine Sonde für die Lochinspektion konfiguriert werden kann und wie die daraus entstehenden Bilder aussehen würden.
Wie eine Sonde für die Lochinspektion konfiguriert werden kann und wie die daraus entstehenden Bilder aussehen würden.

Sehr kleine Defekte in einem Hohlraum verlangen eine viel höhere optische Vergrößerung und ein entsprechend kleiner Bildbereich muss untersucht werden. Da mit einer einzigen Kameraaufnahme nur winzige Teile der Oberfläche untersucht werden können, muss die Sonde sowohl die Höhe des Hohlraums absuchen als auch in Rotation versetzt werden, um eine komplette 360°-Ansicht zu liefern.

Dieser Ansatz verlangt nicht nur ein genaues Ortungssystem für die Sondenbewegungen, sondern auch spezifische Softwarealgorithmen für den Bildabgleich: Die Abbildung des Hohlraumes wird durch das Absuchen der Oberfläche rundum und über die gesamte Lochtiefe aus vielen verschiedenen Bildern bestehen.

Kleinste Defekte an Metallteilen können nur mit einer beweglichen optischen Sonde und koaxialer Beleuchtung gesehen werden.
Kleinste Defekte an Metallteilen können nur mit einer beweglichen optischen Sonde und koaxialer Beleuchtung gesehen werden.

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