Vor allem in der Massenfertigung von Produkten ändert sich der Arbeitsabstand zwischen Objekt und Kamerasystem in der Regel nicht oder nur geringfügig. In diesen Fällen ist das optische Design eines Bildverarbeitungssystems relativ einfach: Aus dem vorliegenden Arbeitsabstand und der gewünschten Auflösung errechnen sich die optischen Kenngrößen des Systems, das dann nach der Auswahl der geeigneten Komponenten und dem Einbau in die Anlage ohne weitere Anpassungen seinen Dienst tut. Eine Umrüstung der Anlage auf Produkte mit anderer Geometrie erfordert dann zwar ein einmaliges Anpassen des Bildverarbeitungssystems, aber danach läuft die Anlage im Optimalfall ohne weiteren Eingriff wieder bis zur nächsten Umstellung.
In vielen Anwendungen müssen Bildverarbeitungssysteme jedoch im Gegensatz dazu einen häufigen Wechsel des Arbeitsabstandes realisieren. Im Extremfall kann sich der Abstand zwischen Prüfebene und Kamerasystem von jedem einzelnen Objekt zum nächsten ändern, was am besten anhand einer Anlage zum Lesen von Adressen auf Paketen anschaulich gemacht werden kann: Die Höhen solcher Pakete können laufend variieren. Um die gewünschten Informationen stets scharf aufnehmen zu können müsste in diesem Beispiel der Arbeitsabstand zum Bildverarbeitungssystem oder der Fokus der Optik für jedes Paket angepasst werden, was auf mechanische Weise oft nicht in der nötigen Geschwindigkeit machbar ist.
Zwar erlauben traditionelle optische Systeme innerhalb gewisser Grenzen ein Fokussieren je nach erforderlichem Abstand, doch müssen dazu eine oder mehrere Linsen entlang der optischen Achse verfahren werden. Dies erfordert Motoren und mechanische Führungen, was nicht nur die Baugröße und Antwortzeit limitiert, sondern auch die Robustheit und die Lebenszeit einer Lösung.
Variable Krümmung der Linse
Fokusvariable Linsen liefern für solche Anwendungsfälle eine interessante Alternative. Technische Basis dafür ist die variable Krümmung einer Linse, die aus einer Membran besteht und mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Wird der Druck innerhalb der Linse verändert, so lässt sich die Krümmung einstellen. Eine Änderung des Linsenradius von wenigen Mikrometern kann dabei bereits die gleiche optische Wirkung erzielen, wie das mechanische Verschieben einer Linse um mehrere Zentimeter. Optische Systeme können somit kompakter, oftmals mit weniger Linsen und ohne translatorische Bewegung gestaltet werden.
Das Unternehmen Optotune hat sich auf die Entwicklung von fokusvariablen Linsen spezialisiert. Die Ansteuerung der elektrooptischen Bauelemente erfolgt stromgesteuert über einen elektromagnetischen Aktuator. Die Brechkraftänderung verhält sich dabei linear zum eingeprägten Strom, ist reproduzierbar und auch frei von Hysterese.
Allerdings variiert das Verhältnis zwischen Brechkraft und Strom aufgrund von Produktionstoleranzen von Linse zu Linse, und auch Temperaturschwankungen beeinflussen die Ansteuerung. Um trotzdem eine akkurate Steuerung der Brechkraft zu ermöglichen, enthalten die Linsen einen Temperatursensor, auf dem zusätzlich die Kalibrierdaten der jeweiligen Linse gespeichert sind. Mit dem ebenfalls angebotenen Stromtreiber lässt sich somit eine absolute Genauigkeit von typischerweise 0,1 Dioptrien erreichen. Die Kommunikation mit dem Treiber erfolgt über eine USB-Verbindung und ein serielles Protokoll, das in diversen Programmiersprachen implementiert werden kann. Der Quellcode für die Ansteuerung ist in C# und Labview verfügbar. Ein alternativer Stromtreiber mit GigE-, RS232- und Analogschnittstellen ist von der britischen Firma Gardasoft erhältlich. Zur Vereinfachung der Systemintegration für den Anwender arbeitet Optotune mit diversen Kameraherstellern und Softwarefirmen im Bereich Bildverarbeitung zusammen, um eingebaute Autofokusfunktionen realisieren zu können.
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