Vermeidung wärmebedingter Bildverzerrung bei Zeilenkameras in der Maschinenvision

Aus der astronomischen Bildgebung ist bekannt, dass verschiedene atmosphärische Bedingungen und Wettereinflüsse die Bildqualität beeinträchtigen. Dies liegt an lokalen Änderungen des Brechungsindex der Luft im optischen Pfad. Diese Änderungen sind wellenlängenabhängig und variieren mit Änderungen des atmosphärischen Drucks und der Luftfeuchtigkeit.

In der Maschinenvision können sowohl Druck als auch Feuchtigkeit usually über den gesamten optischen Pfad als konstant angenommen werden. Eine Ausnahme besteht jedoch, wenn turbulente Luftströme im optischen Pfad lokale Druckänderungen verursachen. Eine typische Ursache für Turbulenzen ist Wärmekonvektion zwischen Teilen unterschiedlicher Temperatur. Gängige Wärmequellen in der Maschinenvision können Beleuchtung, leistungselektronische Komponenten oder hochtemperierte Proben wie gegossenes Metall sein.

Einfluss auf die Bildgebung

Die unterschiedlichen Brechungsindizes in der turbulenten Luft wirken wie ein Gradientlinsen, die den Bildinhalt in den betroffenen Bereichen verzerren. Ausmaß und Ausdehnung der Verzerrung sind zu komplex und zu stark vom Aufbau abhängig, um mathematisch modelliert zu werden. Stattdessen zeigen wir eine Beispielmessung dieses Effekts, um seine typische Größenordnung darzustellen und Sie bei der Messung in Ihrem eigenen Aufbau zu unterstützen.

Bei einer Zeilenkamera ist die optische Verzerrung für jede Zeile entlang der Scannrichtung konstant und daher im Bild nicht sichtbar. Dies reduziert das Problem auf eine räumliche Dimension – senkrecht zur Scannrichtung – und die Zeitdimension. Beide Dimensionen können gleichzeitig beobachtet werden, indem ein Bild eines statischen Ziels mit der Zeilenkamera aufgenommen wird. Die optische Verzerrung verschiebt die Position des Bildinhalts in x-Richtung, während die Ausdehnung der Verzerrung in y-Richtung die Zeitinformation darstellt.

Diese Verschiebung lässt sich leicht durch Abbildung eines statischen Linienmusters messen. Das Grundprinzip dieser Messung ist in Abbildung 1 dargestellt. Ein Referenzbild-Intensitätsprofil wird durch Mittelung eines Interessengebiets erfasst, das einen Bereich von wenigen Spalten um jede x-Position enthält (grün dargestellt). Ein quadratischer Testblock (rot) wird entlang der gesamten Spalte geführt und für jede Position werden die Testdaten in Subpixel-Schritten per Interpolation verschoben. Die Verschiebung mit der höchsten Korrelation zwischen Test- und Referenzdaten wird für jeden Pixel aufgezeichnet und kann in einem Farbskalenbild visualisiert werden.

Abbildung 2 zeigt diese Visualisierung aus einem statischen Linienmusterbild, aufgenommen mit einer Chromasens allPIXA-Kamera mit 5 µm optischer Auflösung. Die Wärmequelle ist hier die Chromasens Corona II Tubelight-Beleuchtung, die mit maximalem LED-Strom betrieben wurde. In diesem Aufbau liegt die Größenordnung der optischen Verzerrung im Bereich von <0,15 Pixel. Die Turbulenzen sind im Verschiebungsbild als Bereiche ähnlicher Verzerrung sichtbar. Sie erstrecken sich über 10–30 mm und persistieren für 200–800 ms.

Diese Messung zeigt, dass die Bildstörung durch Wärmekonvektion einer Standardbeleuchtung für Standardinspektionsaufgaben keine spürbaren Auswirkungen hat. Spezialisierte Bildverarbeitungsaufgaben, die auf Subpixel-Genauigkeit angewiesen sind (z. B. subpixelgenaue Merkmalsextraktion oder subpixelbasierte Bildkorrelation), werden jedoch wahrscheinlich eine verringerte Messgenauigkeit durch diese Verzerrungen aufweisen.

Unterdrückung der Bildverzerrung

Der Bildverzerrungseffekt kann durch Verhinderung der Turbulenzen unterdrückt werden. Hierzu kann ein Lüfter genutzt werden, um einen laminaren Luftstrom zu erzeugen. Da der Druck in einem laminaren Strom konstant ist, treten keine Gradientlinseneffekte auf. Der Luftstrom muss entweder die gesamte Oberfläche der Wärmequelle oder das gesamte Volumen des optischen Pfads abdecken, in dem Turbulenzen wahrscheinlich auftreten.

Die zweite Option ist für Zeilenkameras typischerweise einfacher zu realisieren, da der optische Pfad auf eine Ebene beschränkt ist. Der Lüfter kann daher seitlich an der Kamera installiert werden, mit Strömungsrichtung entlang der Sensorzeile. Im obigen Beispiel muss die Luft im Volumen direkt unter dem Betrachtungsschlitz der Tubelight von einem laminaren Strom durchströmt werden. Da die Seitenwände der Beleuchtung einen direkten seitlichen Zugang für den Luftstrom blockieren, wurde der Lüfter oben auf der Tubelight montiert und bläst in den Betrachtungsschlitz unter einem geneigten Winkel, wie in Abbildung 3 gezeigt. Diese Methode reduzierte die Verzerrung auf eine nicht mehr wahrnehmbare Größe.

Fazit

Eine Wärmequelle in der Nähe des optischen Pfads kann Bildverzerrung verursachen, die die Position des Bildinhalts lokal verschiebt. Bei Zeilenkameras gibt es Bildbereiche ähnlicher Verschiebung, die mehrere mm des Sichtfelds abdecken und im Zeitrahmen von etwa einer Sekunde entstehen und verschwinden. Subpixel-Analysen von Bildinhalten werden durch diese Verschiebung negativ beeinflusst. Zur Unterdrückung dieses Effekts wird empfohlen, das gesamte Volumen entlang des optischen Pfads, das von Turbulenzen betroffen ist, mit einem laminaren Luftstrom eines Lüfters abzudecken.

Dieser Artikel wurde verfasst von Timo Eckhard, Teamleiter Forschung & Innovation, Innovation & IP Management; und Sebastian Georgi, Research & Innovation Manager, Chromasens GmbH (Konstanz, Deutschland). Für weitere Informationen kontaktieren Sie Herrn Eckhard unter This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., Herrn Georgi unter This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., oder besuchen Sie hier.