DE102007022218A1

DE102007022218A1 - Lens arrangement for image processing and method for reducing image aberrations in this lens arrangement

Info

Publication number: DE102007022218A1
Application number: DE200710022218
Authority: DE
Inventors: Matthias Fleischer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2008-11-13
Also published as: WO2008138687A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Objektivanordnung für eine Bildverarbeitung, welche ein Objektiv mit mindestens einer Linse zur Abbildung eines Objektes aufweist, wobei im Abstand der Brennweite des Objektives bildseitig eine Aperturblende angeordnet ist, wobei die Aperturblende als Blendengruppe mit variabler Apertur ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Reduzierung von Bildfehlern einer Objektivanordnung bei einer Bildverarbeitung, wobei die Objektivanordnung ein Objektiv mit mindestens einer Linse zur Abbildung eines Objektes aufweist, wobei im Abstand der Brennweite des Objektives bildseitig eine Aperturblende angeordnet ist, wobei die Apertur der Aperturblende im Strahlengang verändert und eine Bildänderung detektiert wird. Die zuvor beschriebene Objektivanordnung eignet sich insbesondere für Kameravermessungssysteme mit entsprechenden Bildverarbeitungssystemen. Mit der speziellen Anordnung und dem erfindungsgemäßen Verfahrensansatz kann erreicht werden, dass insbesondere ein Tiefenmessfehler, der bei einer Teilabschattung des Strahlengangs auftreten kann, kompensiert werden kann. Insbesondere ist dies bei der Vermessung von engen, tiefen Aussparungen, z. B. Bohrungen bzw. Öffnungen, vorteilhaft, bei denen diese Teilabschattungen auftreten können. Mit geeigneten Blenden kann das System zur direkten Abstandsmessung eingesetzt werden.The invention relates to an objective arrangement for image processing, which has an objective with at least one lens for imaging an object, an aperture diaphragm being arranged on the image side at a distance from the focal length of the objective, the aperture diaphragm being designed as a diaphragm group with variable aperture. The invention further relates to a method for reducing aberrations of an objective arrangement in image processing, wherein the objective arrangement comprises an objective with at least one lens for imaging an object, wherein an aperture stop is arranged on the image side at a distance of the focal length of the objective, the aperture of the aperture stop in Beam path changed and a picture change is detected. The objective arrangement described above is particularly suitable for camera surveying systems with corresponding image processing systems. With the special arrangement and the method approach according to the invention, it can be achieved that, in particular, a depth measurement error which can occur in the case of partial shading of the beam path can be compensated. In particular, this is in the measurement of narrow, deep recesses, z. As holes or openings, advantageous in which these Teilabschattungen may occur. With suitable apertures, the system can be used for direct distance measurement.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Objektivanordnung für eine Bildverarbeitung, welche ein Objektiv mit mindestens einer Linse zur Abbildung eines Objektes aufweist, wobei im Abstand der Brennweite des Objektives bildseitig eine Aperturblende angeordnet ist.The The invention relates to an objective arrangement for image processing, which a lens with at least one lens for imaging an object has, wherein the distance of the focal length of the lens on the image side an aperture stop is arranged.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Reduzierung von Bildfehlern einer derartigen Objektivanordnung bei einer Bildverarbeitung.The The invention further relates to a method for reducing image aberrations Such an objective arrangement in image processing.

Eine Bildverarbeitung wird oft zur Größenvermessung von Bauteilen eingesetzt. Dazu wird durch eine geeignete Beleuchtungsanordnung die Lichtintensität des Objektes von der Lichtintensität des Hintergrunds differenziert, um an der Kante des Objektes einen Intensitätssprung zu erzeugen.A Image processing often becomes size measurement used by components. This is done by a suitable lighting arrangement the light intensity of the object is differentiated from the light intensity of the background, to create an intensity jump at the edge of the object.

Zum Einsatz kommen dabei häufig so genannte telezentrische Objektive. Diese werden insbesondere in optischen Mikrometern oder Profilprojektoren eingesetzt. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass der Objektabstand variiert werden kann und die Bildgröße trotzdem konstant bleibt. Man unterscheidet zwischen

• objektseitiger Telezentrik,
• bildseitiger Telezentrik und
• beidseitiger Telezentrik.

Frequently used are so-called telecentric lenses. These are used in particular in optical micrometers or profile projectors. They are characterized by the fact that the object distance can be varied and the image size nevertheless remains constant. One distinguishes between

• object-side telecentrics,
• image-sided telecentric and
• double-sided telecentric.

Eine objektseitige Telezentrik wird verwendet, um Objekte ohne perspektivische Verzerrung zu erfassen. Die Hauptstrahlen laufen im Objektraum alle parallel zur optischen Achse. Die Frontlinse bei objektseitiger Telezentrik muss mindestens so groß sein wie das abzubildende Objekt. Der einfachste Aufbau dazu besteht aus einer einzelnen Sammellinse mit einer Aperturblende im bildseitigen Brennpunkt. Diese Art der Telezentrik findet insbesondere Anwendung bei der Vermessung von Objekten.A Object-side telecentric is used to make objects without perspective To detect distortion. The main rays run in the object space all parallel to the optical axis. The front lens at the object side Telecentric must be at least as large as the one to be imaged Object. The simplest structure consists of a single converging lens with an aperture stop in the image-side focal point. This kind of Telecentric finds particular application in the measurement of Objects.

Wird dabei die Objektkante nicht scharfabgebildet oder ist ein Teil des Strahlenganges abgeschattet, was z. B. bei Messungen an einer Hinterkante des Objektes der Fall sein kann, tritt bei Verwendung von so genannten telezentrischen Objektiven eine Verschiebung der Kante im Kamerabild und somit ein Messfehler auf.Becomes the object edge is not sharply focused or is part of the Beam path shaded what z. B. in measurements on a trailing edge of Object may be the case occurs when using something called telecentric lenses shift the edge in the camera image and thus a measurement error.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Objektivanordnung bereitzustellen, mit der Messfehler erfasst werden können. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Reduzierung von Bildfehlern bei dieser Objektivanordnung zur Verfügung zu stellen.It It is therefore an object of the invention to provide an objective arrangement, with which measurement errors can be detected. It is still a task of the invention, a method for reducing image aberrations to provide this lens arrangement.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Aperturblende als Blendengruppe mit variabler Apertur ausgebildet ist. Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Apertur der Aperturblende im Strahlengang verändert und eine Bildänderung detektiert wird. Mit der speziellen Anordnung und dem erfindungsgemäßen Verfahrensansatz kann erreicht werden, dass insbesondere ein Tiefenmessfehler, der bei einer Teilabschattung des Strahlengangs auftreten kann, kompensiert werden kann. Insbesondere ist dies bei der Vermessung von engen, tiefen Aussparungen, z. B. Bohrungen bzw. Öffnungen, vorteilhaft, bei denen diese Teilabschattungen auftreten können.The Task is solved by the aperture diaphragm is designed as a variable aperture diaphragm group is. The object relating to the method is achieved in that changed the aperture of the aperture in the beam path and a picture change is detected. With the special arrangement and the method approach according to the invention can be achieved that in particular a depth measurement error, the can occur at a Teilabschattung the beam path compensated can be. In particular, this is in the measurement of narrow, deep recesses, z. B. holes or openings, advantageously, at which these partial shadows can occur.

Eine Verfahrensvariante sieht dabei vor, dass die Bildänderungen aus mindestens zwei Messungen mit unterschiedlicher Apertur erfasst und durch Extrapolation auf eine Punktblende ein Winkelfehler zwischen einem theoretischen Hauptstrahl und einem tatsächlichen Hauptstrahl bestimmt wird. Aus der Änderung des Winkelfehlers bei unterschiedlicher Apertur kann durch die Extra polation auf eine Punktblende, die als theoretischer Grenzfall zu sehen ist, auf den Winkelfehler bei dieser idealen Aperturblende geschlossen werden. In bevorzugter Verfahrensvariante wird dieser dabei ermittelte Winkelfehler als Tiefenkorrektur der Objektivanordnung verwendet. Werden mehr als zwei unterschiedliche Aperturblenden eingesetzt, kann damit eine genauere Extrapolation erreicht werden.A Process variant provides that the image changes detected from at least two measurements with different aperture and by extrapolation to a point aperture, an angle error between a principal principal ray and an actual principal ray becomes. From the change the angle error at different aperture can by the extra polation to a point stop, which can be seen as a theoretical borderline case, closed on the angle error at this ideal aperture become. In a preferred process variant, this is determined Angle error used as depth correction of the lens assembly. If more than two different aperture diaphragms are used, can thus be achieved a more precise extrapolation.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Aperturblende umschaltbar ausgebildet, wodurch eine Anpassung der Apertur ermöglicht wird. Für viele Messzwecke ausreichend hat sich herausgestellt, wenn die Aperturblende zwischen mindestens zwei Blenden mechanisch umschaltbar ausgeführt ist. Dies ist ein besonders einfacher Lösungsansatz in Verbindung mit dem beschriebenen Verfahren.In Advantageous embodiment, the aperture diaphragm is reversible, whereby an adjustment of the aperture is made possible. For many Measurement purpose has been found sufficient when the aperture stop is performed mechanically switchable between at least two diaphragms. This is a particularly simple approach in conjunction with the described method.

Ist die Aperturblende zwischen einer einfachen Kreisblende und einer Ringblende umschaltbar ausgeführt, können bei einer Teilabschattung durch eine Objektkante unterschiedliche Winkelfehler der Hauptstrahlen detektiert und ausgewertet werden.is the aperture diaphragm between a simple circular aperture and a Circular aperture reversible, can in a Teilabschattung by an object edge different Angle errors of the main beams can be detected and evaluated.

Ist mindestens eine der Blenden der Aperturblende als verstellbare Blende ausgeführt, kann eine stufenlose Änderung der Apertur hinsichtlich z. B. des Durchmessers und/oder der Form herbeigeführt und damit eine kontinuierliche Veränderung des Winkelfehlers beobachtet werden, was insbesondere die Auswertung der daraus resultierenden Signale erleichtert.is at least one of the apertures of the aperture stop as an adjustable aperture executed can be a stepless change the aperture with respect to z. B. the diameter and / or the shape brought about and thus a continuous change the angle error can be observed, which in particular the evaluation the resulting signals facilitated.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist mindestens eine der Blenden der Aperturblende auf Basis einer LCD-, DMD- und/oder einer anderen SLM-Technik ausgeführt. Bei auf LCD-Technik (Liquid Crystal Display) basierenden Aperturblenden kann die Apertur der Blende beliebig, digital angesteuert, verändert werden. Die Form der der Apertur als auch die Größe kann beliebig über einen Computer festgelegt werden, was eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Messaufgabe ermöglicht. Eine ähnliche Flexibilität ermöglichen Aperturblenden, die auf der DMD-Technologie (Digital Micromirror Devices) oder auf der SLM-Technologie (Spatial Light Modulation) basieren.In a further preferred embodiment is at least one of the apertures of the aperture stop based on a LCD, DMD and / or other SLM technology. at LCD (Liquid Crystal Display) based apertures The aperture of the aperture can be arbitrarily, digitally controlled, changed. The shape of the aperture as well as the size can be arbitrary over one Computers are set, giving high flexibility in terms the measuring task allows. A similar flexibility enable Aperture apertures on the DMD technology (Digital Micromirror Devices) or on the SLM technology (Spatial Light modulation).

In bevorzugter Ausführungsvariante ist das Objektiv als telezentrisches Objektiv ausgeführt, womit sich insbesondere die eingangs beschriebenen Vorteile hinsichtlich der Bildauswertung ergeben.In preferred embodiment the lens is designed as a telecentric lens, which in particular the advantages described above in terms the image evaluation result.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to the figures shown in the figures Embodiments explained in more detail. It demonstrate:

1 eine schematische Darstellung einer telezentrischen Objektivanordnung, 1 a schematic representation of a telecentric lens assembly,

2a und 2b zwei Ausführungen einer Aperturblende, 2a and 2 B two versions of an aperture stop,

3a und 3b zwei Beispiele für einen Strahlengang mit einem Winkelfehler und 3a and 3b two examples of a beam path with an angle error and

4 eine schematische Darstellung des Winkelfehlers in Abhängigkeit der verwendeten Aperturblende. 4 a schematic representation of the angle error as a function of the aperture diaphragm used.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt beispielhaft in schematischer Darstellung eine telezentrische Objekivanordnung 1 mit objektseitig telezentrischem Strahlengang. Das grundlegende Prinzip der telezentrischen Abbildung besteht aus der Anordnung einer Aperturblende 30 bzw. der Eintritts- oder Austrittspupille in der vorderen oder hinteren Brennebene im Abstand der Brennweite 11 eines Objektives 10. Dadurch werden im Objekt- oder Bildraum alle Hauptstrahlen parallel zur optischen Achse geführt. Im telezentrischen Raum sind demnach alle Objekt- bzw. Bildwinkel null, und die Objekt- bzw. Bildgröße ist theoretisch konstant über einen unendlich großen Bereich. 1 shows by way of example in a schematic representation of a telecentric Objekivanordnung 1 with object-side telecentric beam path. The basic principle of telecentric imaging consists of arranging an aperture stop 30 or the entrance or exit pupil in the front or rear focal plane at a distance of the focal length 11 of an objective 10 , As a result, all principal rays are guided parallel to the optical axis in the object or image space. In telecentric space, therefore, all object or image angles are zero, and the object or image size is theoretically constant over an infinitely large area.

Im gezeigten Beispiel ist die Aperturblende 30 im bildseitigen Raum im Abstand der Brennweite 11 des Objektives 10 angeordnet. Damit liegt die Eintrittspupille der Objektivanordnung 1 und somit das perspektivische Zentrum im Unendlichen. Alle durch die Blendenmitte verlaufenden Hauptstrahlen sind im Objektraum parallel zur optischen Achse ausgerichtet. Bei konstant gehaltener Bildschnittweite, einem festen Abstand zwischen Objektiv 10 und beispielsweise einem Projektionsschirm oder einer Bildsensorfläche, führt eine Objektverschiebung 21 des Objektes 20 zwar zu einer leichten Unschärfe im Bild 40, jedoch bleibt die effektive Bildgröße, gegeben durch die Höhe des Hauptstrahls, und damit der effektive Abbildungsmaßstab konstant. Das Objektiv 10 kann dabei als Einzellinse oder als Linsengruppe ausgebildet sein. Es können somit laterale Größen von Objekten 20 auch in unterschiedlichen Tiefen bzw. Abstände vom Objektiv 10 sehr genau vermessen werden.In the example shown, the aperture stop 30 in the image-side room at the distance of the focal length 11 of the objective 10 arranged. This is the entrance pupil of the lens assembly 1 and thus the perspective center at infinity. All main rays passing through the diaphragm center are aligned in the object space parallel to the optical axis. With the image section kept constant, a fixed distance between the lens 10 and, for example, a projection screen or an image sensor surface, performs an object displacement 21 of the object 20 although to a slight blur in the picture 40 However, the effective image size, given by the height of the main beam, and thus the effective magnification remains constant. The objective 10 can be designed as a single lens or as a lens group. It can thus lateral sizes of objects 20 even at different depths or distances from the lens 10 be measured very accurately.

2a zeigt schematisch eine Kreisblende 31 als Ausführungsbeispiel der Aperturblende 30. In 2b ist eine Ringblende 32 als Aperturblende 30 dargestellt. In erfindungsgemäßer Ausgestaltung ist vorgesehen, zwischen diesen beiden Blenden umzuschalten. 2a schematically shows a circular aperture 31 as an embodiment of the aperture diaphragm 30 , In 2 B is a ring stop 32 as an aperture stop 30 shown. In an embodiment according to the invention, it is provided to switch between these two diaphragms.

3a und 3b zeigt schematisch die Situation, wenn durch eine Objektkante des Objektes 20 eine Teilabschattung auftritt. Gezeigt ist ein theoretischer Hauptstrahl 22, der von der Hinterkante des Objektes ausgehend durch das Objektiv 10 tritt und als Brennstrahl durch die Aperturblende 30 tritt. Abhängig von der Apertur der Aperturblende 30 treten unterschiedliche Winkelfehler 24 der Hauptstrahlen auf, da die Lichtstrahlen im Mittel unter unterschiedlichen Winkeln verlaufen. 3a and 3b schematically shows the situation when passing through an object edge of the object 20 partial shading occurs. Shown is a theoretical main beam 22 which passes from the trailing edge of the object through the lens 10 occurs and as a firing beam through the aperture 30 occurs. Depending on the aperture of the aperture stop 30 occur different angle errors 24 the main rays, since the light rays are on average at different angles.

Durch Extrapolation der Winkelfehler 24 kann, wie dies 4 schematisch zeigt, auf den Winkelfehler 24 einer Punktblende 33, welche einen theoretischen Grenzfall ohne Fehler darstellt, geschlossen werden und der Fehler somit kompensiert werden. Dargestellt sind in 4 gemessene Winkelfehler 24 in Abhängigkeit der Aperturblende 30. Dabei ist der gemessene Winkelfehler 24 für eine Kreisblende 31 und eine Ringblende 32 dargestellt.By extrapolation of the angle errors 24 can, like this 4 schematically shows the angle error 24 a point stop 33 , which represents a theoretical limit case without errors, are closed and the error thus compensated. Shown in 4 measured angle errors 24 depending on the aperture diaphragm 30 , Here is the measured angle error 24 for a circular aperture 31 and a ring stop 32 shown.

Die zuvor beschriebene Objektivanordnung 1 eignet sich insbesondere für Kameravermessungssysteme mit entsprechenden Bildverarbeitungssystemen. Als Anwendungsbeispiel ist das Vermessen von Spritzlöchern zu nennen, bei dem sich eine derart tiefenkorrigierte Objektivanordnung 1 als vorteilhaft herausgestellt hat. Mit geeigneten Blenden kann das System zur direkten Abstandsmessung eingesetzt werden. Das beschriebene Verfahren kann auch bei nicht telezentrischen Objektivanordnungen 1 angewendet werden.The previously described objective arrangement 1 is particularly suitable for camera surveying systems with corresponding image processing systems. As an application example, the measurement of spray holes is called, in which such a depth-corrected lens arrangement 1 has proven to be beneficial. With suitable apertures, the system can be used for direct distance measurement. The described method can also be used for non-telecentric lens arrangements 1 be applied.

Claims

Lens arrangement ( 1 ) for image processing, which is a lens ( 10 ) with at least one lens for imaging an object ( 20 ) having, being at a distance of the focal length ( 11 ) of the objective ( 10 ) image-side an aperture diaphragm ( 30 ), characterized in that the aperture diaphragm ( 30 ) is designed as a diaphragm group with variable aperture.

Lens arrangement ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the aperture diaphragm ( 30 ) is switchable.

Lens arrangement ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the aperture diaphragm ( 30 ) is designed mechanically switchable between at least two diaphragms.

Lens arrangement ( 1 ) according to claim 3, characterized in that the aperture diaphragm ( 30 ) between a simple circular aperture ( 31 ) and a ring diaphragm ( 32 ) is switchable.

Lens arrangement ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one of the apertures of the aperture diaphragm ( 30 ) is designed as an adjustable aperture.

Lens arrangement ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one of the apertures of the aperture diaphragm ( 30 ) based on LCD, DMD and (or other SLM technology.

Lens arrangement ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the lens ( 10 ) as a telecentric lens ( 10 ) is executed.

Method for reducing image aberrations of a lens arrangement ( 1 ) in an image processing, wherein the objective arrangement ( 1 ) a lens ( 10 ) with at least one lens for imaging an object ( 20 ), wherein at a distance of the focal length ( 11 ) of the object ( 10 ) image-side an aperture diaphragm ( 30 ), characterized in that the aperture of the aperture diaphragm ( 30 ) changed in the beam path and a picture change is detected.

A method according to claim 8, characterized in that the image changes from at least two measurements with different aperture detected and by extrapolation to a point aperture ( 33 ) an angle error ( 24 ) between a principal theoretical ray ( 22 ) and an actual main beam ( 23 ) is determined.

Method according to claim 8 or 9, characterized in that the angular error ( 24 ) as depth correction of the objective arrangement ( 1 ) is used.