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Messen mit Bildverarbeitung

(PresseBox) (Pullach b. München, )
Egal ob in Wissenschaft oder Technik, Bildverarbeitung ist mittlerweile in den unterschiedlichsten Anwendungen vertreten. Auch der Einsatz als geometrisches Messinstrument für Aufgaben, wie Abstandsmessung oder Teileinspektion wird speziell im industriellen Bereich immer beliebter. Einer der wichtigsten Vorzüge ist die hohe Flexibilität. Mittels Bildverarbeitung lässt sich eine dimensionelle Prüfung direkt in den Fertigungsablauf einbinden, ohne die Prozesskette zu unterbrechen. Da die Inspektion ohne zusätzlichen Zeitaufwand bewältigt werden kann, ist es zudem möglich, die früher übliche Stichprobenkontrolle, auf eine 100%ige Prüfung auszuweiten. Für die Vermessung ist es nicht notwendig die Prüfteile zu bewegen. Dies macht sich besonders bei sehr empfindlichen Prüflingen bezahlt. Da die Messung nicht am Objekt selbst, sondern an dessen digitaler Abbildung erfolgt spielen allerdings auch mehr Fehlerquellen eine Rolle, als bei mechanischen Messungen.

An einem Abbildungssystem sind eine ganze Reihe von Komponenten beteiligt die sich alle auf die Qualität der Abbildung und somit auch auf die Genauigkeit der Messung auswirken. Am Anfang dieser Kette steht das Objekt selbst. Seine Größe, Struktur, Farbe, geometrischer Aufbau sind die Grundlage für die Auswahl der einzelnen Komponenten des Bildaufnahmesystems. All diese Eigenschaften beeinflussen das vom Objekt reflektierte Licht, welches als Signalträger fungiert. Durch das Objektiv wird das ankommende Signal in Richtung Sensor transportiert und infolge von Transmissionsverlusten abgeschwächt und mit unvermeidbaren Abbildungsfehlern belegt. Auf dem Sensor wird durch die aufprallenden Photonen eine Reaktion ausgelöst die das Signal in elektrische Spannung übersetzt. Die nachfolgende Kameraelektronik verstärkt und digitalisiert dieses Signal. Am Ende der Kette wird das Ergebnis als zweidimensionaler Matrix im Speicher abgelegt.

Die Auflösung der Matrix ist durch den Sensor gegeben und kennzeichnet das theoretisch kleinste digitale Raster des Bildes. Die Kantenlänge der einzelnen Pixel entspricht der Skalenweite. Über die Vergrößerungseigenschaft der Optik lässt sich der Zusammenhang in den realen Maßstab übersetzen. Diese theoretische Grenze ist für beide Sensortechnologien identisch. In der Praxis sind jedoch weitere Faktoren zu berücksichtigen. Strukturbedingt sind CCD-Sensoren in der Regel lichtempfindlicher und können gleichzeitig auch weniger anfällig für Störeinflüsse durch Rauschen. Da in der Auswertung die Messpunkte durch Helligkeitsunterschiede gefunden werden, ist der höhere Dynamikumfang ebenfalls förderlich. Durch das Ausleseverfahren bedingt, stehen Optische Abbildungen sind stets mit einer gewissen Unschärfe behaftet. Dies bedeutet für die Abbildung, dass Kanten nicht als harte binäre Stufe zwischen zwei Grauwerten dargestellt werden, sonder je nach Unschärfegrad über mehrere Pixel hinweg verlaufen. Abbildung 1 verdeutlicht den qualitativen Unterschied von scharf und kontrastreich zu unscharf und kontrastarm.

CCDs zudem für höhere Homogenität über die Abbildungsfläche hinweg. Aber auch CMOS Sensoren haben Vorteile auf ihrer Seite. Da hier Teile der verarbeitenden Elektronik bereits integriert sind, ist die nachfolgende Signalverarbeitung besser auf den Sensor abgestimmt und bietet somit auch weniger Angriffsfläche für Übertragungsverluste, gleichzeitig sind höhere Datenraten möglich. Die in CCDs, durch die Auslesemethode bedingte Bildfehler, wie Smear- und Bloomingeffekte sind bei der CMOS-Technologie ausgeschlossen.

Auch bei Optik gibt es Typ und qualitätsbedingte Leistungsunterschiede. Prinzipiell kann jedes Objektiv mit fester Brennweite verwendet werden. Es ist allerdings zu berücksichtigen, dass in Folge der perspektivischen Verzerrung der Abbildungsmaßstab direkt von der Objektweite abhängig ist. Nahe Objekte erscheinen größer, als weiter entfernte. Diese Einschränkung reduziert den Messraum auf eine einzelne Ebene. Zusätzlich ist es erforderlich im Vorfeld das System zu kalibrieren, um die Größenverhältnisse in der Aufnahme zu verifizieren. An dieser Stelle sei auch angesprochen, dass jede optische Übersetzung mit Abbildungsfehler, welche die Auflösung herabsetzen, belegt ist. Ist wie hier, die geometrische Abbildungstreue wichtig, fällt speziell die Verzeichnung ins Gewicht. Durch diese ändert sich der Abbildungsmaßstab innerhalb des Bildes. Vignettierung verringert den Kontrast in Richtung der Bildränder. Ein Vergleich verschiedener Objektive ist durch die sog. Modulationsübertragungsfunktion (MÜF) möglich. Deren Kurve fasst die Wirkung aller Abbildungsfehler zusammen und gibt an wie viele Hell-Dunkel-Wechsel pro mm gerade noch unterscheidbar sind. Viele dieser Einschränkungen und Probleme lassen sich durch den Einsatz von telezentrischen Optiken umgehen. In diesen Linsen verlaufen die objekt- oder auch beidseitigen Hauptstrahlen parallel zur optischen Achse. Der Strahlengang ist in Abbildung 2 dargestellt. In der Abbildung entfällt die perspektivische Tiefenwirkung.

Im Gegensatz zu den besser bekannten, entozentrischen Objektiven ist der Abbildungsmaßstab fest eingeprägt und unabhängig von der Objektdistanz. Der Messbereich bleibt auf die Schärfentiefe be grenzt. Geometrische Verzeichnung ist hier kein Thema und auch andere Abbildungsfehler fallen wesentlich weniger ins Gewicht. Durch die parallele Abbildung ergeben sich zudem weitere Anwendungsmöglichkeiten. Es wird möglich, ohne Maßstabsanpassung den Ein- sowie Austrittsdurchmesser von Bohrungen aus nur einer Bildaufnahme zu bestimmten. Des Weiteren sind telezentrische Linsen weniger empfindlich gegenüber Streulicht. Da bei telezentrischen Objektiven der Objektfelddurchmesser größer sein muss als das Objekt selbst, sind sie jedoch relativ klobig, schwer und dadurch auch signifikant teurer. Für Messaufgabe macht sich dies aber durch einen hohen Zugewinn an Genauigkeit bezahlt.

Durch den Einsatz von Beleuchtung mit paralleler oder sogar telezentrischer Abstrahlcharakteristik lassen sich die Abbildungseigenschaften der Telezentrie optimal nutzen. Generell wird die beste Aufnahmesituation bei Beleuchtung in Durchlichtanordnung erreicht. Die gewährleistet maximale Lichtausnutzung und Objektkanten erscheinen auch bei schwierigen Objekten (glänzende Oberfläche) sehr scharf und kontrastreich. Im Hinblick auf die unterschiedlichen Messaufgaben ist es natürlich nicht immer möglich diese ideale Systemkonfiguration anzuwenden. Oftmals sind relevante Details auf der Oberfläche des Prüfkörpers zu finden und es ist notwendig das Objekt direkt zu Beleuchten. Oder die Aufgabe besteht, beispielsweise bei bestückten Platinen, oftmals auch darin, die Bauhöhe oder Verkippung der einzelnen Teile zu prüfen. Für solche Einsätze sind erweiterte Beleuchtungstechniken wie z.B. das Lichtschnittverfahren gefragt. In diesem Verfahren wird das Bauteil mit einer Laserlinie abgetastet und aus deren Versatz die gesuchte Größe ermittelt.

Die angesprochenen Beispiele spiegeln nur einen sehr kleinen Ausschnitt der Einsatzmöglichkeiten wieder. In der Praxis ist die Variation der Aufgaben ebenso vielfältig, wie die Zahl an Lösungsmöglichkeiten. Jede einzelne ist und bleibt ein speziell auf seinen Einsatz zugeschnittenes Gesamtsystem aus Beleuchtung, Beleuchtungstechnik, Objektiv, Kamera und Software.
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