DE102014105742A1

DE102014105742A1 - Optical quality control method and quality control device

Info

Publication number: DE102014105742A1
Application number: DE102014105742.2A
Authority: DE
Inventors: Rainer Jetter
Original assignee: Jos Schneider Optische Werke GmbH
Current assignee: Jos Schneider Optische Werke GmbH
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2015-10-29
Anticipated expiration: 2034-04-24
Also published as: DE102014105742B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur optischen Qualitätskontrolle durch Aufnehmen, mittels eines Objektivs (10), umfassend eine Linsenanordnung (101, 102) und eine Aperturblende (103) mit einer Aperturblendenöffnung, von auf einen Bildsensor (30) abgebildeten Prüfobjekten (20) und Vergleichen der Aufnahmen und/oder daraus abgeleiteter Werte mit hinterlegten Referenzdaten, wobei zwischen einzelnen Aufnahmen ein Farbkanalwechsel von einem Ausgangs-Farbkanal, bei dem die unmittelbar vorangegangene Aufnahme erfolgte, zu einem Ziel-Farbkanal, bei dem die unmittelbar folgende Aufnahme erfolgen soll, durchgeführt wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass mit jedem Farbkanalwechsel automatisiert eine Größenänderung der Aperturblendenöffnung erfolgt, wobei die jeweils einzustellende Größe der Aperturblendenöffnung nach vorgegebenen Regeln in Abhängigkeit von dem jeweils aktuellen Ziel-Farbkanal bestimmt wird.The invention relates to a method for optical quality control by recording, by means of a lens (10), comprising a lens arrangement (101, 102) and an aperture stop (103) with an aperture aperture, by means of test objects (20) displayed on an image sensor (30). and comparing the recordings and / or values derived therefrom with stored reference data, wherein between individual recordings a color channel change from an output color channel in which the immediately preceding recording was made to a target color channel in which the immediately following recording is to take place becomes. The invention is characterized in that with each color channel change automatically resizes the Aperturblendenöffnung, wherein the respective size to be set of Aperturblendenöffnung determined according to predetermined rules depending on the respective current target color channel.

Description

Gebiet der Erfindung Field of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Qualitätskontrolle durch Aufnehmen, mittels eines Objektivs, umfassend eine Linsenanordnung und eine Aperturblende mit einer Aperturblendenöffnung, von auf einen Bildsensor abgebildeten Prüfobjekten und Vergleichen der Aufnahmen und/oder daraus abgeleiteter Werte mit hinterlegten Referenzdaten, wobei zwischen einzelnen Aufnahmen ein Farbkanalwechsel von einem Ausgangs-Farbkanal, bei dem die unmittelbar vorangegangene Aufnahme erfolgte, zu einem Ziel-Farbkanal, bei dem die unmittelbar folgende Aufnahme erfolgen soll, durchgeführt wird. The invention relates to a method for optical quality control by recording, by means of a lens, comprising a lens arrangement and an aperture diaphragm with an aperture aperture, of test objects imaged on an image sensor and comparing the recordings and / or values derived therefrom with stored reference data, wherein between individual recordings Color channel change from an output color channel, in which the immediately preceding recording was made, to a target color channel, in which the immediately following recording is to take place, is performed.

Die Erfindung betrifft weiter eine Qualitätskontrollvorrichtung, umfassend

– eine Fördervorrichtung zur Förderung von Prüfobjekten in einen Kontrollbereich,
– eine Bildaufnahmevorrichtung mit einem Objektiv und einem Bildsensor zum Aufnehmen der jeweils im Kontrollbereich positionierten und mittels des Objektivs, umfassend eine Linsenanordnung und eine Aperturblende mit einer Aperturblendenöffnung, auf den Bildsensor abgebildeten Prüfobjekte,
– eine Auswerteeinheit zum Vergleichen der Aufnahmen der Prüfobjekte und/oder daraus abgeleiteter Werte mit hinterlegten Referenzdaten, sowie
– eine Steuereinheit zur Ansteuerung von Farbkanalwechseln zwischen einzelnen Aufnahmen, jeweils von einem Ausgangs-Farbkanal, bei dem die jeweils unmittelbar vorangegangene Aufnahme erfolgte, zu einem Ziel-Farbkanal, bei dem die jeweils unmittelbar folgende Aufnahme erfolgen soll.

The invention further relates to a quality control device comprising

A conveying device for conveying test objects into a control area,
An image pickup device having an objective and an image sensor for picking up the test objects respectively positioned in the control region and being imaged onto the image sensor by means of the objective, comprising a lens arrangement and an aperture stop with an aperture stop,
An evaluation unit for comparing the recordings of the test objects and / or values derived therefrom with stored reference data, as well as
- A control unit for controlling color channel changes between individual shots, each from an output color channel, in which the respective immediately preceding recording was made, to a target color channel, in which the immediately following recording is to take place.

Stand der Technik State of the art

Derartige Qualitätskontrollverfahren und -vorrichtungen sind in der Industrie allgemein bekannt. Maschinell erzeugte Produkte, die hier im Hinblick auf ihre Funktion im Rahmen der Qualitätskontrolle als „Prüfobjekte“ bezeichnet werden, werden mittels einer Fördervorrichtung einem Kontrollbereich zugeführt, welcher unter Beobachtung durch eine Bildaufnahmevorrichtung steht. Die Bildaufnahmevorrichtung umfasst im Wesentlichen einen Bildsensor und ein Objektiv, mit welchem die Prüfobjekte im Kontrollbereich auf den Bildsensor abgebildet werden. Das Objektiv umfasst typischerweise eine Linsenanordnung und eine Aperturblende, durch deren Aperturblendenöffnung Licht vom Prüfobjekt auf den Bildsensor fällt. Die aufgenommenen Bilder oder aus ihnen abgeleitete Werte, wie beispielsweise durch Bildverarbeitungsverfahren ermittelte Längen- oder Abstandswerte, werden dann in einer Auswerteeinheit mit entsprechenden Referenzdaten verglichen, um Unterschiede zwischen realisierten Ist-Werten der Prüfobjekte und vorgegebenen Soll-Werten zu ermitteln. Je nach Größe der Abweichungen können die Prüfobjekte dann als ordnungsgemäß oder als Ausschuss qualifiziert werden, wobei insbesondere im letzteren Fall Anregungen für eine Änderung von Produktionsparametern abgeleitet werden können. Such quality control methods and apparatus are well known in the industry. Engineered products, referred to herein as "inspection objects" in view of their quality control function, are fed by means of a conveyor to a control area which is under observation by an image capture device. The image recording device essentially comprises an image sensor and a lens with which the test objects in the control area are imaged onto the image sensor. The objective typically comprises a lens arrangement and an aperture stop, through the aperture aperture of which light from the test object falls onto the image sensor. The recorded images or values derived therefrom, such as length or distance values determined, for example, by image processing methods, are then compared in an evaluation unit with corresponding reference data in order to determine differences between realized actual values of the test objects and predetermined desired values. Depending on the size of the deviations, the test objects can then be qualified as proper or reject, and in the latter case in particular suggestions for a change in production parameters can be derived.

Insbesondere bei in Massenproduktion hergestellten Produkten läuft eine derartige Qualitätskontrolle weitestgehend automatisiert ab. Rein beispielhaft sei hier die Qualitätskontrolle bei der Chip-Herstellung genannt. Die hier auftretenden, sehr kleinen und filigranen Strukturen, die im Rahmen der Qualitätskontrolle überprüft werden müssen, verlangen nach einer sehr hochwertigen Optik der Bildaufnahmevorrichtung, d.h. nach einem sehr gut korrigierten Objektiv. Hinzu kommt, dass aufgrund des automatisierten Prozesses keine umfassende Justierung des Objektivs für jede Aufnahme eines Prüfobjektes erfolgen kann. Um Prozesstoleranzen, wie beispielsweise Temperaturschwankungen, auszugleichen, ist eine angemessene Schärfentiefe erforderlich, die hinreichend groß ist, um die genannten Toleranzen zu kompensieren, allerdings im Hinblick auf die damit verbundenen Schwierigkeiten beim Objektivdesign nicht größer als notwendig sein sollte. Especially in mass-produced products such quality control is largely automated. Purely by way of example here is the quality control in the chip production called. The very small and filigree structures that occur here, which must be checked in the context of quality control, require a very high-quality optics of the image recording device, i. after a very well corrected lens. In addition, due to the automated process, no comprehensive adjustment of the lens can be done for each shot of a test object. To compensate for process tolerances, such as temperature variations, an adequate depth of field is required, which is sufficiently large to compensate for said tolerances, but should not be greater than necessary in view of the associated difficulties in lens design.

Eine besondere Schwierigkeit ergibt sich in Fällen, in denen die Qualitätskontrolle in unterschiedlichen Farbkanälen durchgeführt werden muss. Als Farbkanal sei hier allgemein das beschränkte Spektrum des zur jeweiligen Aufnahme beitragenden Lichtes verstanden. Ein Farbkanalwechsel kann dabei auf unterschiedliche Weise durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Spektrum einer Beleuchtungslichtquelle, z.B. einer LED-Anordnung mit unterschiedlich farbigen LEDs, mit der die Prüfobjekte im Kontrollbereich beleuchtet werden, verändert werden. Alternativ oder zusätzlich kann das vom Prüfobjekt durch das Objektiv auf den Bildsensor fallende Licht einen Farbfilter durchlaufen, dessen Durchlassspektrum verändert wird. Schließlich ist es auch möglich, durch Variation spektral unterschiedlich empfindlicher Sensoren einen Farbwechsel durchzuführen; hierunter soll vorliegend auch die Verwendung eines sogenannten Farb-Sensors fallen, dessen „Pixel“ jeweils in eine Mehrzahl von „Teilpixeln“ unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit unterteilt sind, wie dies bei typischen Farb-CCD-Sensoren der Fall ist. Die erreichbare Abbildungsschärfe eines gegebenen Objektivs hängt nämlich stark von der Wellenlänge des verwendeten Lichtes ab. Insofern hängt auch die Schärfentiefe von der Wellenlänge, d.h. vom jeweils gewählten Farbkanal ab. Besteht nun die Forderung, für jeden Farbkanal eine Mindest-Schärfentiefe zu realisieren, wird üblicherweise der Ansatz verfolgt, das Objektiv so hoch zu korrigieren, dass die Schärfen- und Schärfentiefenforderung für alle Wellenlängen simultan erfüllt sind. Dies bedeutet einen ungeheuren Korrektionsaufwand, was das Objektiv teuer und im Hinblick auf die damit üblicherweise verbundene, hohe Linsenzahl schwer, schwierig zu montieren und anfällig macht. A particular difficulty arises in cases where the quality control in different color channels must be performed. As color channel, the limited spectrum of the light contributing to the respective recording is generally understood here. A color channel change can be carried out in different ways. For example, the spectrum of an illumination light source, for example an LED arrangement with differently colored LEDs, with which the test objects are illuminated in the control area, can be changed. Alternatively or additionally, the light falling from the test object through the objective onto the image sensor can pass through a color filter whose transmission spectrum is changed. Finally, it is also possible to perform a color change by varying spectrally different sensitive sensors; In the present case, this also includes the use of a so-called color sensor whose "pixels" are each subdivided into a plurality of "subpixels" of different spectral sensitivity, as is the case with typical color CCD sensors. The achievable image sharpness of a given lens depends strongly on the wavelength of the light used. In this respect, the depth of field depends on the wavelength, ie on the selected color channel. Now is the requirement to realize a minimum depth of field for each color channel, usually the approach is followed to correct the lens so high that the sharpness and depth of field requirement for all Wavelengths are fulfilled simultaneously. This requires a tremendous amount of correction, making the lens expensive and difficult to assemble and susceptible to the high number of lenses commonly associated therewith.

Aus der EP 1 791 075 B1 ist für einen Barcode-Leser der Ansatz bekannt, die Schärfentiefe zu verbessern, indem der Barcode zweifach auf unterschiedliche Teilbereiche eines Bildsensors abgebildet wird, wobei das Licht für die unterschiedlichen Abbildungen unterschiedliche Aperturblenden mit unterschiedlich großen Aperturblendenöffnungen durchläuft. Dieser Ansatz, der schon wegen seiner asymmetrischen Strahlführung nicht für die Abbildung filigraner Prüfobjekte geeignet ist, bietet auch keinen Ansatz zur Lösung des oben erläuterten Farbkanal-Problems. From the EP 1 791 075 B1 For a barcode reader, it is known to improve the depth of field by imaging the barcode in duplicate on different subregions of an image sensor, wherein the light for the different images passes through different aperture stops with differently sized aperture apertures. This approach, which is not suitable for imaging filigree objects because of its asymmetric beam guidance, also offers no approach to solving the above-explained color channel problem.

Aus der WO 2006/103663 A1 ist der Ansatz bekannt, eine fehlende, chromatische Korrektion eines Objektivs gezielt zur Verbesserung der Schärfentiefe auszunutzen. Aufgrund der fehlenden, chromatischen Korrektion ergeben sich für unterschiedliche Farbkanäle unterschiedliche Brennweiten des Objektivs, sodass ein irgendwo innerhalb eines vergleichsweise großen Axialbereichs positioniertes Objekt in irgendeinem Farbkanal scharf abgebildet wird. Die entsprechende Farbkanal-Abbildung wird dann als repräsentativ für eine scharfe Abbildung des Gesamtobjektes genutzt. Dieser Ansatz funktioniert nur, wenn der spezielle Farbkanal keine Rolle spielt, da im Vorfeld nicht gesagt werden kann, welcher der in der (zwingend erforderlichen) Weißlicht-Beleuchtung enthaltenen Farbkanäle unter den konkreten Umständen scharf abgebildet wird, während alle anderen Farbkanäle aufgrund der fehlenden chromatischen Korrektion gerade nicht scharf abgebildet werden. Insbesondere ist das Verfahren nicht geeignet, die hinreichend scharfe Abbildung von Prüfobjekten in mehreren Farbkanälen zu gewährleisten. From the WO 2006/103663 A1 The approach is known to exploit a lack of chromatic correction of a lens targeted to improve the depth of field. Due to the lack of chromatic correction, different focal lengths of the objective result for different color channels, so that an object positioned anywhere within a comparatively large axial area is sharply imaged in any color channel. The corresponding color channel image is then used as representative of a sharp image of the overall object. This approach works only if the special color channel is irrelevant, since it can not be said in advance which of the (absolutely required) white light illumination channels will be sharply displayed under the specific circumstances, while all other color channels will be due to the lack of chromatic Correction just can not be focused. In particular, the method is not suitable for ensuring the sufficiently sharp imaging of test objects in multiple color channels.

Aufgabenstellung task

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gattungsgemäße Qualitätskontrollverfahren und -vorrichtungen derart weiterzubilden, dass hohe Anforderungen an die Schärfentiefe in unterschiedlichen Farbkanälen mit reduziertem Aufwand im Objektivdesign erreichbar werden. It is the object of the present invention to develop generic quality control methods and devices such that high demands on the depth of field in different color channels with reduced effort in the lens design can be achieved.

Darlegung der Erfindung Presentation of the invention

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass mit jedem Farbkanalwechsel automatisiert eine Größenänderung der Aperturblendenöffnung erfolgt, wobei die jeweils einzustellende Größe der Aperturblendenöffnung nach vorgegebenen Regeln in Abhängigkeit von dem jeweils aktuellen Ziel-Farbkanal bestimmt wird. This object is achieved in conjunction with the features of the preamble of claim 1, characterized in that with each color channel change automatically resizes the Aperturblendenöffnung, wherein each set size of Aperturblendenöffnung is determined according to predetermined rules depending on the respective current target color channel.

Die Aufgabe wird weiter in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 8 dadurch gelöst, dass die Steuereinheit mit einer Aperturblenden-Verstelleinrichtung verbunden und eingerichtet ist, bei jedem Farbkanalwechsel eine jeweils einzustellende Größe der Aperturblendenöffnung nach vorgegebenen Regeln in Abhängigkeit von dem jeweils aktuellen Ziel-Farbkanal zu bestimmen und die Aperturblenden-Verstelleinrichtung anzusteuern, die Aperturblendenöffnung entsprechend einzustellen. The object is further achieved in conjunction with the features of the preamble of claim 8, characterized in that the control unit is connected to an aperture diaphragm adjustment and is set, each time a color channel change a respective size of the Aperturblendenöffnung according to predetermined rules depending on the current target To determine color channel and to control the aperture diaphragm adjustment, adjust the aperture aperture accordingly.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die von einem Objektiv übertragbare Grenz-Raumfrequenz vom Quotienten aus numerischer Apertur und Wellenlänge des übertragenden Lichtes abhängt. Um für unterschiedliche Farbkanäle die gleiche übertragbare Grenz-Raumfrequenz einzustellen, müsste man bei einem idealen Objektiv die numerische Apertur farbkanalspezifisch ändern und zwar umso größer einstellen, je länger die Wellenlänge des jeweiligen Farbkanals ist. Diese Erkenntnis lässt sich bei einem realen Objektiv dergestalt nutzen, dass eine Aperturblende mit verstellbarer Aperturblendenöffnung verwendet wird und die Größe der Aperturblendenöffnung farbkanalspezifisch eingestellt wird. Insbesondere wird als grobe Regel die einzustellende Größe der Aperturblendenöffnung umso größer sein, je größer Wellenlänge oder, präziser ausgedrückt, ein spezifischer Wellenlängenwert des Ziel-Farbkanals ist. Dies führt wiederum dazu, dass sich insbesondere für Farbkanäle kurzer Wellenlänge eine aufwendige Korrektion in den Außenbereichen des Objektivs erübrigt. Andererseits kann die für lange Wellenlängen auch in den Außenbereichen des Objektivs erforderliche Korrektion speziell auf diese langen Wellenlängen zugeschnitten werden. Die Gesamtkorrektion des Objektivs lässt sich somit einfacher und präziser im Sinne einer Vermeidung von Wellenlängen-übergreifenden Design-Kompromissen gestalten. Dies führt nicht nur zu Kosteneinsparungen, sondern auch zu einer verbesserten Gesamt-Performance, sodass besonders hohe Anforderungen, wie oben erläutert, teilweise aufgrund der Erfindung erstmals erfüllbar werden. The invention is based on the finding that the limit spatial frequency which can be transmitted by a lens depends on the quotient of the numerical aperture and the wavelength of the transmitted light. In order to set the same transmittable limit spatial frequency for different color channels, one would have to change the color aperture-specific numerical aperture for an ideal objective, and in fact adjust the larger the longer the wavelength of the respective color channel. With a real objective, this finding can be exploited in such a way that an aperture diaphragm with adjustable aperture aperture is used and the size of the aperture aperture is set color channel-specifically. In particular, as a general rule, the larger the aperture size to be set, the greater the wavelength or, more precisely, a specific wavelength value of the target color channel. This in turn means that, in particular for color channels of short wavelength, a complex correction in the outer regions of the objective is unnecessary. On the other hand, the correction required for long wavelengths also in the outer areas of the lens can be tailored specifically to these long wavelengths. The overall correction of the objective can thus be made simpler and more precise in terms of avoiding wavelength-overlapping design compromises. This not only leads to cost savings, but also to improved overall performance, so that particularly high requirements, as explained above, partly due to the invention for the first time be fulfilled.

Natürlich ist ein solches Objektiv für allgemeinere Anwendungen, wie beispielsweise allgemeine Fotografie, in der viele Farbkanäle simultan aufgenommen und/oder innerhalb einzelner Farbkanäle aufgrund spezieller Beleuchtungsumstände die unterschiedlichsten Aperturblendeneinstellungen realisierbar sein müssen, nur wenig geeignet. Die Erfindung bezieht sich jedoch speziell auf den erläuterten Qualitätskontroll-Sektor mit seinen speziellen Anforderungen. Of course, such a lens for general applications, such as general photography, in which many color channels are recorded simultaneously and / or within individual color channels due to special lighting circumstances, the most different aperture settings must be feasible, little suitable. However, the invention relates specifically to the explained Quality control sector with its special requirements.

Als grobe Regel zur Aperturblendeneinstellung wurde oben bereits erläutert, dass bevorzugt die einzustellende Größe der Aperturblendenöffnung als umso größer bestimmt wird, je größer ein spezifischer Wellenlängenwert des Ziel-Farbkanals ist. Was konkret als spezifischer Wellenlängenwert verwendet wird, kann vom Fachmann in Ansehung der Erfordernisse des Einzelfalls gewählt werden. Beispielsweise kann bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass als spezifischer Wellenlängenwert der Wert der Zentralwellenlänge des Ziel-Farbkanals verwendet wird. Die Zentralwellenlänge, d.h. die mittig zwischen den Grenzwellenlängen des Farbkanals liegende Wellenlänge stellt einen besonders einfach ermittelbaren Wert zur Charakterisierung des Farbkanals dar. As a rough rule for aperture diaphragm adjustment, it has already been explained above that, preferably, the larger a specific wavelength value of the target color channel, the larger the size of the aperture diaphragm aperture to be set is determined to be. Specifically, what is used as the specific wavelength value can be selected by those skilled in the art in consideration of the requirements of the case. For example, in one embodiment of the invention it may be provided that the value of the central wavelength of the target color channel is used as the specific wavelength value. The central wavelength, i. the wavelength lying centrally between the cut-off wavelengths of the color channel represents a particularly easily determinable value for characterizing the color channel.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass als spezifischer Wellenlängenwert ein Wellenlängen-Mittelwert des Zielfarbkanals verwendet wird. Der Begriff des Mittelwertes ist dabei weit zu verstehen und umfasst insbesondere auch gewichtete oder anderweitig ermittelte Wellenlängen-Mittelwerte. Ein derartiger Mittelwert ist zwar schwerer zu bestimmen; charakterisiert den Farbkanal unter Umständen aber präziser, z.B. wenn eine deutliche Wellenlängen-Ungleichverteilung innerhalb des Farbkanals vorliegt. Alternatively it can be provided that a wavelength mean value of the target color channel is used as the specific wavelength value. The term mean value is to be understood broadly and includes in particular also weighted or otherwise determined wavelength average values. Such an average is more difficult to determine; but may more accurately characterize the color channel, e.g. if there is a clear wavelength inequality distribution within the color channel.

Günstigerweise ist vorgesehen, dass die einzustellende Größe der Aperturblendenöffnung linear von dem spezifischen Wellenlängenwert des Ziel-Farbkanals abhängt. Natürlich kann jedoch, je nach den Erfordernissen des Einzelfalls, von dieser groben Regel abgewichen werden. Als Faustregel für eine evtl. zu verfeinernde Grundeinstellung ist diese Faustformel jedoch durchaus tauglich. It is advantageously provided that the size of the aperture diaphragm opening to be set depends linearly on the specific wavelength value of the target color channel. Of course, depending on the requirements of the case, it is possible to deviate from this general rule. As a rule of thumb for a possibly to be refined basic attitude, this rule of thumb is quite suitable.

Allgemein kann als Vorgabe der Aperturblendeneinstellung angegeben werden, dass die einzustellende Größe der Aperturblendenöffnung idealer Weise jeweils derart bestimmt wird, dass sich für den Ziel-Farbkanal die gleiche Schärfentiefe wie für den Ausgangs-Farbkanal ergibt. Diese Schärfentiefe kann der geforderten Schärfentiefe (möglichst exakt) entsprechen. Eine geringere Schärfentiefe kommt aufgrund der gestellten Anforderungen des Systems nicht in Frage; ist jedoch in einem Farbkanal deutlich höhere Schärfentiefe realisiert, wurde das durch die Erfindung eröffnete Einsparpotenzial im Rahmen des Objektiv-Designs u.U. nur unvollständig ausgenutzt. In general, it can be specified as default of the aperture diaphragm setting that the size of the aperture diaphragm aperture to be set is ideally determined in each case in such a way that the same depth of field results for the target color channel as for the output color channel. This depth of field can correspond to the required depth of field (as exactly as possible). A smaller depth of field is out of the question due to the requirements of the system; However, if significantly higher depth of field is realized in a color channel, the potential for savings opened up by the invention in the context of lens design may have been reduced. only partially exploited.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen. Further features and advantages of the invention will become apparent from the following specific description and the drawings.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Es zeigen: Show it:

1: Linsenschnitt und Strahlengang eines beispielhaften Objektivs zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 1 : Lens section and beam path of an exemplary objective for realizing the method according to the invention and the device according to the invention,

2: ein Schärfentiefen-Diagramm des Objektivs von 1 im Weiß-Kanal, 2 : a depth of field diagram of the lens of 1 in the white channel,

3: ein Schärfentiefen-Diagramm des Objektivs von 1 im Rot-Kanal, 3 : a depth of field diagram of the lens of 1 in the red channel,

4: ein Schärfentiefen-Diagramm des Objektivs von 1 im Grün-Kanal, 4 : a depth of field diagram of the lens of 1 in the green channel,

5: ein Schärfentiefen-Diagramm des Objektivs von 1 im Blau-Kanal. 5 : a depth of field diagram of the lens of 1 in the blue channel.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen Description of preferred embodiments

1 zeigt ein als einfaches Doppel-Gauß-Objektiv ausgebildetes Objektiv 10, umfassend eine objektseitige Linsengruppe 101 und eine spiegelsymmetrisch aufgebaute und angeordnete, bildseitige Linsengruppe 102. Mittig zwischen den Linsengruppen 101, 102 ist eine Aperturblende 103 angeordnet, welche, wie durch den Verstellpfeil 104 angedeutet, automatisiert verstellbar ist. Das Objektiv 10 ist geeignet, ein Objekt 20 im Maßstab β‘= –1 auf einen Bildsensor 30 abzubilden. 1 shows a lens designed as a simple double Gaussian lens 10 comprising an object-side lens group 101 and a mirror-symmetrically constructed and arranged image-side lens group 102 , Midway between the lens groups 101 . 102 is an aperture stop 103 arranged, which, as by the adjustment arrow 104 indicated, automatically adjustable. The objective 10 is suitable for an object 20 in scale β '= -1 on an image sensor 30 map.

In 1 nicht dargestellt sind Mittel zur Änderung des Farbkanals, die jedoch dem Fachmann in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt sind. Beispielsweise kann durch Filterung des das Objekt 20 beleuchtenden Lichtes oder durch Filterung des vom Objekt 20 auf den Bildsensor 30 fallenden Lichtes ein Farbkanal definiert und entsprechend verändert werden. In letzterem Fall ist es möglich, den Filter bildseitig oder objektseitig außerhalb des Objektivs 10 oder aber auch innerhalb des Objektivs 10, beispielsweise in gleicher oder nah benachbarter Position zur Aperturblende 103, anzuordnen. Auch eine im Bildsensor 30 integrierte Filterung zur Definition bzw. zum Wechsel des Farbkanals ist denkbar. Alternativ zur Filterung kann auch spektral engkanaliges Licht, beispielsweise mittels einer LED-Anordnung, erzeugt und zur Beleuchtung des Objektes 10 verwendet werden. In 1 not shown are means for changing the color channel, which are known to those skilled in various configurations. For example, by filtering the object 20 illuminating light or by filtering the object 20 on the image sensor 30 falling light a color channel defined and changed accordingly. In the latter case, it is possible for the filter on the image side or object outside the lens 10 or within the lens 10 , For example, in the same or closely adjacent position to the aperture 103 to arrange. Also in the image sensor 30 Integrated filtering to define or change the color channel is conceivable. As an alternative to filtering, it is also possible to generate spectrally narrow-channel light, for example by means of an LED arrangement, and to illuminate the object 10 be used.

Wie im allgemeinen Teil der Beschreibung ausführlich diskutiert, ist es ein wesentliches Merkmal der Erfindung, dass die Öffnungsgröße der Aperturblende 103 automatisiert mit dem Wechsel des Farbkanals verändert wird. Um eine vorgegebene Schärfentiefen-Bedingung in allen Farbkanälen zu erfüllen, müsste ein Objektiv mit fester Aperturöffnungsgröße extrem hoch korrigiert sein, soweit die Anforderungen über die geforderten Farbkanäle überhaupt erfüllbar sind. Durch die erfindungsgemäße, farbkanalspezifische Anpassung der Aperturblendengröße lassen sich hingegen hohe Schärfentiefen-Anforderungen auch mit einem vergleichsweise einfach konstruierten Objektiv, wie etwa einem Objektiv 10 gemäß 1, erfüllen. As discussed in detail in the general part of the description, it is an essential feature of the invention that the aperture size of the aperture stop 103 is changed automatically with the change of the color channel. To meet a given depth of field condition in all color channels would require a lens with fixed aperture size be extremely highly corrected, as far as the requirements on the required color channels can be fulfilled at all. By contrast, the color channel-specific adaptation of the aperture diaphragm size according to the invention makes it possible, on the other hand, to have high depth of field requirements even with a comparatively simply constructed objective, such as a lens 10 according to 1 , fulfill.

Die 2 bis 5 zeigen beispielhaft Schärfentiefendiagramme des Objektivs 10 von 1 in unterschiedlichen Farbkanälen mit jeweils angepasster Größe der Aperturblendenöffnung. Die Diagramme sind wie folgt zu verstehen: auf der Ordinate ist jeweils die Modulationstransferfunktion (MTF) aufgetragen, die den Quotienten aus Bildkontrast zu Objektkontrast für eine gegebene Raumfrequenz, beispielsweise gegeben als bestimmte Anzahl Linienpaare pro Zentimeter, wiedergibt. Die MTF kann in Prozent oder, wie hier, als normierte Funktion zwischen dem Maximalwert 1 (gleicher Kontrast bei Bild und Objekt) und dem Minimalwert 0 (vollständiger Kontrastverlust im Bild) angegeben werden. Auf der Abszisse der Diagramme ist die Defokussierung D in Millimeter angegeben, beispielsweise realisiert durch eine Variation des Abstandes des Bildsensors 30 vom Objektiv 10, wobei „0,0“ die für eine scharfe Abbildung optimale Position repräsentiert. Die Kurven zeigen das Verhalten der MTF in Abhängigkeit von der Defokussierung D an ausgewählten, über die Sensorfläche verteilten Messpositionen. Der Übersichtlichkeit halber sind in den Diagrammen jeweils Kurven von nur 4 Messpunkten dargestellt. Typischerweise werden deutlich mehr Messpunkte verwendet, wobei für jeden Messpunkt meist noch zwischen den Kontrasten in Sagittal- und Meridionalebene unterschieden wird. The 2 to 5 show example of depth-of-field diagrams of the lens 10 from 1 in different color channels, each with adapted size of the aperture aperture. The diagrams are to be understood as follows: the ordinate in each case plots the modulation transfer function (MTF), which reproduces the quotient from image contrast to object contrast for a given spatial frequency, for example given as a specific number of line pairs per centimeter. The MTF can be specified as a percentage or, as here, as a normalized function between the maximum value 1 (same contrast for image and object) and the minimum value 0 (complete loss of contrast in the image). The abscissa of the diagrams shows the defocus D in millimeters, for example realized by a variation of the distance of the image sensor 30 from the lens 10 where "0.0" represents the optimum position for a sharp image. The curves show the behavior of the MTF as a function of the defocusing D at selected measuring positions distributed over the sensor surface. For the sake of clarity, graphs of only 4 measuring points are shown in the diagrams. Typically, significantly more measuring points are used, although for each measuring point, a distinction is usually made between the contrasts in the sagittal and meridional planes.

Sei, wie beim gezeigten Beispiel, die Vorgabe, dass über eine Defokussierungstrecke von mindestens 100 Mikrometer eine MTF für eine gegebene Raumfrequenz von wenigstens 0,4 über die gesamte Sensorfläche erreicht werden soll, müssen die Kurven für sämtliche Messpunkte in einem Defokussierungsbereich von mindestens 100 Mikrometern über der gestrichelt eingezeichneten Grenze von MTF = 0,4 liegen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird dies erreicht, indem im Weißkanal (2) die Aperturblende so eingestellt wird, dass eine nummerische Apertur (NA) von 0,04 erreicht wird. Es ergibt sich ein Defokussierungsbereich von 120 Mikrometer, in dem die MTF für alle Messpunkte oberhalb des Grenzwertes von 0,4 liegt. Im Rotkanal (3) muss die Aperturblendenöffnung hingegen vergrößert werden, bis sich eine numerische Apertur von NA = 0,048 einstellt, damit ein Defokussierungsbereich von 101 Mikrometer erreicht wird, in welchem die MTF für alle Messpunkte oberhalb des Grenzwertes von 0,4 liegt. Eine kleinere Einstellung der Aperturblendenöffnung würde aufgrund von Beugungseffekten zu einer Kontrastverschlechterung führen. If, as in the example shown, the requirement that over a defocus distance of at least 100 microns an MTF be achieved for a given spatial frequency of at least 0.4 over the entire sensor area, the curves for all measurement points must be in a defocus range of at least 100 microns above the dashed line border of MTF = 0.4. In the illustrated embodiment, this is achieved by the white channel ( 2 ) the aperture stop is adjusted to reach a numerical aperture (NA) of 0.04. The result is a defocusing range of 120 microns, in which the MTF for all measurement points is above the limit of 0.4. In the red channel ( 3 On the other hand, the aperture stop needs to be increased until a numerical aperture of NA = 0.048 is established in order to achieve a defocusing range of 101 micrometers, in which the MTF for all measurement points is above the limit of 0.4. A smaller aperture aperture setting would result in contrast degradation due to diffraction effects.

Im Grünkanal (4) kann dieselbe Aperturblendeneinstellung wie im Weißkanal verwendet werden. Allerdings ergibt sich hier aufgrund des engeren Farbkanals eine größere Schärfentiefe von 149 Mikrometern. Auch hier würde eine Verkleinerung der Aperturblendenöffnung aufgrund von Beugungseffekten zu einer Kontrastverschlechterung führen. Eine Vergrößerung der NA würde aufgrund fehlender Korrektion des Objektivs 10 zu einer Kontrastverschlechterung führen. In the green channel ( 4 ) the same aperture setting can be used as in the white channel. However, this results in a larger depth of field of 149 micrometers due to the narrower color channel. Again, a reduction in aperture aperture due to diffraction effects would lead to a decrease in contrast. An enlargement of the NA would be due to lack of correction of the lens 10 lead to a contrast deterioration.

Im Blaukanal (5) schließlich ist eine nummerische Apertur von 0,034 optimal und führt zu einer Schärfentiefe von 176 Mikrometern. In the blue channel ( 5 Finally, a numerical aperture of 0.034 is optimal and results in a depth of field of 176 microns.

Die Umsetzung der erfindungsgemäßen Idee in ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Qualitätskontrolle bzw. in eine erfindungsgemäße Qualitätskontrollvorrichtung ist für den Fachmann leicht vorzunehmen. Insbesondere hat er bei einem gegebenen Objektiv lediglich durch Messung der MTF auf unterschiedlichen Messpunkten des Bildsensor festzustellen, welche nummerische Apertur bzw. Apterturblendenöffnungs-Einstellung für einen gegebenen Farbkanal die optimale Schärfentiefe ergibt. Die ermittelten Werte sind dann in einer Steuereinheit, die zur Ansteuerung von Farbkanalwechseln eingerichtet ist, zu hinterlegen und die Steuereinheit ist mit einer Aperturblenden-Verstelleinrichtung derart zu koppeln, dass mit jedem Farbkanalwechsel eine Aperturblenden-Verstellung auf den entsprechenden, hinterlegten Öffnungswert erfolgt. Für den Optik-Designer, der Objektive für derartige Verfahren und Vorrichtungen zu entwerfen hat, bedeutet dies, dass er es im Vergleich zu über den gesamten Spektralbereich korrigierten Objektiven bei einer deutlich einfacheren Korrektion belassen kann und den konkreten Schärfentiefenanforderungen ebenso gut oder gar besser gerecht wird. The implementation of the idea according to the invention in a method according to the invention for quality control or in a quality control device according to the invention is easy for the person skilled in the art to carry out. In particular, for a given objective, it only has to determine which numerical aperture or aperture aperture setting for a given color channel gives the optimum depth of field by measuring the MTF at different measuring points of the image sensor. The determined values are then stored in a control unit which is set up to control color channel changes, and the control unit is to be coupled to an aperture diaphragm adjustment device such that an aperture diaphragm adjustment to the corresponding, stored opening value takes place with each color channel change. For the optics designer, who has to design lenses for such methods and devices, this means that he can leave it compared to over the entire spectral corrected lenses for a much simpler correction and the concrete depth of field requirements just as well or even better ,

Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Of course, the embodiments discussed in the specific description and shown in the figures represent only illustrative embodiments of the present invention. A broad range of possible variations will be apparent to those skilled in the art in light of the disclosure herein.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 10: Objektiv lens
101 101: erste Linsengruppe von 10 first lens group of 10
102 102: zweite Linsengruppe von 10 second lens group of 10
103 103: Aperturblende von 10 Aperture aperture of 10
104 104: Verstellpfeil Verstellpfeil
20 20: Objekt object
30 30: Bildsensor image sensor
MTF MTF: Modulationstransferfunktion Modulation Transfer Function
D D: Defokussierung defocusing
NA N / A: Nummerische Appertur Numeric Appertur
W W: Weißkanal White channel
R R: Rotkanal red channel
G G: Grünkanal green channel
B B: Blaukanal blue channel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1791075 B1 [0006]
WO 2006/103663 A1 [0007]

Claims

Method for optical quality control by recording by means of a lens ( 10 ), comprising a lens arrangement ( 101 . 102 ) and an aperture stop ( 103 ) with an aperture aperture, from to an image sensor ( 30 ) displayed test objects ( 20 ) and comparing the recordings and / or values derived therefrom with stored reference data, wherein between individual recordings a colorchannel change from an output colorchannel, in which the immediately preceding recording took place, to a destination colorchannel, at which the immediately following recording should take place, is carried out, characterized in that with each color channel change automatically resizes the Aperturblendenöffnung, wherein the respectively to be set size of the Aperturblendenöffnung is determined according to predetermined rules depending on the respective current target color channel.

A method according to claim 1, characterized in that the size of the aperture diaphragm aperture to be set is determined to be the greater, the greater a specific wavelength value of the target color channel.

Method according to Claim 2, characterized in that the value of the central wavelength of the target color channel is used as the specific wavelength value.

A method according to claim 2, characterized in that a wavelength mean value of the target color channel is used as the specific wavelength value.

A method according to claim 4, characterized in that the wavelength average is a weighted wavelength average.

Method according to one of claims 2 to 5, characterized in that the size of the aperture diaphragm aperture to be adjusted depends linearly on the specific wavelength value of the target color channel.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the size of the aperture diaphragm opening to be set is respectively determined in such a way that the same depth of field results for the target color channel as for the output color channel.

Quality control device comprising - a conveyor for conveying test objects ( 20 ) in a control area, - an image pickup device with a lens ( 10 ) and an image sensor ( 36 ) for recording the respectively positioned in the control area and by means of the lens ( 10 ), comprising a lens arrangement ( 101 . 102 ) and an aperture stop ( 103 ) with an aperture aperture on the image sensor ( 30 ) displayed test objects ( 20 ), - an evaluation unit for comparing the recordings of the test objects and / or values derived therefrom with stored reference data, and - a control unit for controlling color channel changes between individual recordings, in each case from an output color channel in which the respective immediately preceding recording took place a target color channel, in which the immediately following recording is to take place, characterized in that the control unit is connected to an aperture diaphragm adjustment and set, each time a color channel change a respective size of the Aperturblendenöffnung according to predetermined rules as a function of the current destination To determine color channel and to control the aperture diaphragm adjustment, adjust the aperture aperture accordingly.