Bildschärfe

Für fast alle Applikationen gilt, dass das Bild eine optimale Schärfe aufweisen muss, damit beste Inspektionsergebnisse erzielt werden können. Bedingt durch feste mechanische Vorgaben ist der Arbeitsabstand zwischen Optik und Bauteil fest eingestellt und die Fokussierung muss nur einmal vorgenommen werden.

Grundvoraussetzung für scharfe Ergebnis-Bilder

• Korrekte Fokussierung der Optik
• Hohe optische Qualität (und wenig optische Fehler) des Objektivs, damit feinste Strukturen mit möglichst hohem Kontrast und Detailreichtum aufgelöst werden können
• Geeigneter Kamerasensor mit genügend hoher Auflösungsvermögen und Bilddynamik
• Ausreichend Objektkontrast, dieser kann durch geschickte Beleuchtungstechniken optimiert werden

In diesem Kapitel soll hauptsächlich auf das korrekte Fokussieren des Objektivs eingegangen werden.

Korrektes manuelles Scharfstellen und Bestimmen der Schärfentiefe

In vielen Fällen wird der Anwender das Objektiv am Fokusring mehrfach hin- und herdrehen, um ungefähr die korrekte Mittelstellung für die Bildschärfe zu ermitteln. Anschließend wird eventuell abgeblendet, um  genügend Schärfentiefe für ein durchgängig scharfes Bild zu erreichen.

Doch wie stellt man exakt auf einen bestimmten Punkt scharf? Dazu wird zuerst die Blende komplett geöffnet, das Bild wird dabei allerdings viel zu hell. Korrigieren Sie dies, indem Sie die Intensität der Beleuchtung zurücknehmen, oder die Belichtungszeit der Kamera verkürzen. Mit diesem Setup ist die Schärfentiefe minimal und nur eine sehr kleine Ausdehnung in z-Richtung erscheint dem Anwender scharf. Fokussieren Sie nun exakt auf den Prüfbereich, der Ihnen besonders wichtig erscheint (oder genau in der halben Höhe zwischen den zu erfassenden Prüfmerkmalen liegt). Anschließend wird in der Regel wieder abgeblendet und die Helligkeit der  Beleuchtung (oder die Belichtungszeit) wieder angepasst.

Der Schärfentiefebereich wird nun so groß sein, dass Höhenschwankungen bei der Bauteilzuführung nicht mehr zu unscharfen Bildern führen:

Tiefenschärfe

Entozentrische Optik: Drei identische, übereinander gestapelte Schrauben erscheinen unterschiedlich groß. Schärfentiefe ausreichend groß.

Änderung Bildfeld

Je nach Arbeitsabstand ändert sich das maximale Bildfeld.

Beachten Sie jedoch, dass der veränderte Arbeitsabstand bei entozentrischen Standardobjektiven zu einer  Maßstabsänderung führt und Messergebnisse größer oder kleiner werden!

Korrektes Scharfstellen mit Hilfe von Software

Mit Hilfe von einfachen Standard-Tools kann der Bildverarbeiter die Bildschärfe ermitteln. Ein scharfes Bild zeichnet sich durch einen Bildkontrast an Objektkanten aus.

Ein einfaches Balkenmuster mit schwarz-weißen Streifen hilft dabei. Benutzen Sie aus Ihrem Bildverarbeitungs-Toolset eine Kantenantastung zum Zählen der Kanten oder ein Messtool.  Ziehen Sie nun die Prüfstrecke genau senkrecht auf die Balkenkante (von links nach rechts) auf und beobachten die Steilheit der Kanten im Gradientengraphen.

Die Steigung des Helligkeitsprofils (rote Kurve in den Diagrammen) ist umso größer, auf je weniger Pixeln Wegstrecke die Änderung von Hell nach Dunkel (und umgekehrt) erfolgt.

Eine weitere Methode ist die Verwendung eines flächig prüfenden Intensitäts-Tool, das Pixelstatistikwerte und ein Histogramm zurückliefert.

Beobachten Sie einen kleinen Bildbereich mit einer Musterstruktur. Das Grauwerthistogramm bei einem scharfen Bild weist größere Minima- und Maxima-Werte und eine größere Standardabweichung auf als auf einem unscharfen Bild. Der Durchschnittswert der Grautöne verändert sich dabei jedoch nicht.

Achtung: Der Maximalwert solcher Funktionen ist jedoch vom Bildinhalt und der allgemeinen Bildhelligkeit abhängig. Bitte beachten Sie auch, dass keine Überbelichtung im Bereich des Prüftools auftritt, die Grautöne zerstört.

Bitte überprüfen Sie mit solchen Software-Methoden, ob alle räumlich zu erfassenden Objektebenen korrekt scharf gestellt sind und Sie damit genügend Schärfentiefe besonders für Ihre Mess-Applikation haben.