Unter den zahlreichen Faktoren, die das optische System einer Videomessmaschine beeinflussen, werden Linsenverzerrung und Schwankungen des Arbeitsabstands leicht übersehen, haben aber einen wesentlichen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Dieser Artikel analysiert ihre Mechanismen und Kontrollmethoden.
1. Vergrößerungsabhängige Verzerrung von Zoomobjektiven
Optische Verzerrung ist die Abweichung zwischen der tatsächlichen und der idealen Position des Bildpunktes bei der Bildgebung mit einem Objektiv. Sie äußert sich in einer Diskrepanz zwischen der Vergrößerung am Rand und in der Bildmitte – bei der Kissenverzerrung erscheinen die Abmessungen am Rand größer, bei der Tonnenverzerrung kleiner.
Da die Verzeichnung eines Zoomobjektivs mit der Vergrößerung variiert, muss die Kalibrierung für jede Vergrößerung separat durchgeführt werden: Dazu werden Bilder einer Standardrasterplatte oder eines Bauteils in Standardgröße aufgenommen, die Verzeichnung in jedem Bereich berechnet und eine Kompensationsmatrix generiert, die von der Messsoftware automatisch angewendet wird. Wird die Kalibrierung bei niedriger Vergrößerung durchgeführt und der Bediener anschließend auf eine hohe Vergrößerung umgeschaltet, ist die Matrix nicht mehr anwendbar, da sich die Verzeichnungskurven unterscheiden und ein systematischer Fehler entsteht. Nach jedem Vergrößerungswechsel muss daher überprüft werden, ob die Software die Kompensationsparameter für die aktive Vergrößerung geladen hat.
2. Der Einfluss des Arbeitsabstands auf die Vergrößerung
Der Arbeitsabstand ist der Abstand von der Vorderseite der Linse zur Werkstückoberfläche. Bei herkömmlichen, nicht telezentrischen Objektiven ändert sich die tatsächliche Vergrößerung mit dem Arbeitsabstand: Je näher die Linse am Werkstück ist, desto größer ist die Vergrößerung.
Bei der Messung von Werkstücken mit Höhenunterschieden – beispielsweise Stufenflächen oder tiefen Vertiefungen – muss die Z-Achse bewegt werden, um auf die unterschiedlich hohen Merkmale zu fokussieren. Jede Bewegung verändert den Arbeitsabstand. Ohne Softwarekompensation treten bei unterschiedlich hohen Merkmalen Skalierungsfehler auf: Höhere Merkmale (Linse näher) werden größer, niedrigere Merkmale (Linse weiter entfernt) kleiner gemessen. Flache Werkstücke sind kaum betroffen, da alle Merkmale die gleiche Höhe haben. Bei dreidimensionalen Merkmalen oder Messungen mit mehreren Höhen ist dieser Effekt jedoch nicht zu vernachlässigen.
3. Die telezentrische Linsenlösung
Telezentrische Objektive nutzen eine spezielle optische Konstruktion, die die Hauptstrahlen parallel hält und so den Einfluss von Änderungen des Arbeitsabstands auf die Vergrößerung eliminiert: Selbst bei einer Änderung der Werkstückhöhe behält ein bestimmtes Objekt im Bild seine Größe bei, wodurch Vergrößerungsdrift direkt an der Quelle behoben wird. Bi-telezentrische Objektive halten die Hauptstrahlen sowohl im Objekt- als auch im Bildraum parallel und erzielen so eine gleichmäßigere Vergrößerung und geringere Verzeichnung im gesamten Bildfeld.
Am Beispiel der JATEN-Videomesssysteme lässt sich zeigen, dass sowohl das JTDIM-200 als auch das JTDIM3020 , wie in der offiziellen Produktdokumentation angegeben, telezentrische optische Strukturen verwenden. Das JTDIM3020 ist mit bi-telezentrischen Objektiven ausgestattet, die eine extrem geringe Verzeichnung aufweisen und selbst bei Höhenübergängen und Kanten keine sichtbaren Bildverzerrungen verursachen. Zudem verfügt es über zwei 20-Megapixel-CCD-Sensoren, die die optische Grundlage für hochpräzise Kontur- und Oberflächenmessungen bilden.
4. Anwendungsbeschränkungen von telezentrischen Objektiven
Die größte Einschränkung telezentrischer Objektive ist ihr kleines Bildfeld – der Durchmesser des Bildfelds ist durch die effektive Apertur der vorderen Linsengruppe begrenzt, und die Messung größerer Objekte erfordert ein größeres und deutlich teureres Objektiv. Telezentrische Objektive eignen sich daher am besten für kleine und mittelgroße Präzisionsobjekte; für große, ebene Objekte genügt ein herkömmliches Zoomobjektiv mit Verzeichnungskorrektur pro Vergrößerung.
5. Anwendungsempfehlungen
Zur korrekten Verwendung des optischen Systems gehören: die separate Durchführung der Verzerrungskalibrierung bei jeder Vergrößerung und der Abruf der korrekten Daten; die Beachtung von Arbeitsabstandseffekten bei der Messung dreidimensionaler Merkmale; die Auswahl des Linsentyps entsprechend der Merkmalsgröße und den Genauigkeitsanforderungen; und die regelmäßige Überprüfung der Sauberkeit und des Montagezustands der Linse, um Fehler durch eine lose oder verschmutzte Linse zu vermeiden.
Weitere Einzelheiten finden Sie unter...
https://www.jatentech.com/product/video-measuring-machine-jtdim3020
https://www.jatentech.com/product/jtdim-200-video-measuring-system