Optisches Design: Das oft übersehene Problem des Streulichts

Bei Machine-Vision-Projekten bestimmt die Qualität des optischen Designs direkt, ob ein System effizient und genau arbeiten kann. Allerdings kann Streulicht die Bildqualität stark beeinträchtigen.

Egal ob bei hochpräzisen industriellen Inspektionen oder Echtzeit-Erkennungsszenarien für autonomes Fahren – durch Streulicht verursachte Probleme wie Ghosting, Regenbogenreflexe und Bildnebelung können zu Fehlbeurteilungen und verringerter Genauigkeit führen.

Welche streulichtbedingten Faktoren sollten also bei der Konstruktion eines optischen Machine-Vision-Systems berücksichtigt werden, und welche Lösungen stehen zur Verfügung?

I. Quellen und Gefahren von Streulicht

Streulicht bezeichnet schädliches Licht, das von der normalen Abbildungsbahn abweicht, und dessen Ursachen relativ komplex sind.

Zu den häufigen Quellen von Streulicht gehören:

1. Probleme mit der Linse: Uneinheitliche Beschichtung, übermäßig hohe Reflektivität oder schlechte Oberflächenqualität können mehrfache Reflexionen auf der Linsenoberfläche verursachen.

2. Mechanische Komponenten: Unzureichende Oxidationsschwarzung, fehlende interne antireflektierende Gestaltung sowie schlecht gefertigte Blendenabmessungen können ebenfalls Streulicht verursachen.

3. Konstruktionsmängel in der Optik: Versteckte Risiken in der Struktur des Lichtweges sind eine weitere bedeutende Quelle von Streulicht.

Die Auswirkungen von Streulicht auf die Bildqualität dürfen nicht ignoriert werden. Es wird:

1. die Bildauflösung und der Kontrast reduzieren, Details verschwimmen und die Erkennungsgenauigkeit stark beeinträchtigen.

2. C führen können, bei dem falsche Informationen das reale Bild verdecken und zu Fehleinschätzungen führen.

3. Unter bestimmten Bedingungen Streuung und Regenbogenreflexe verursachen, wobei farbige Flecken um helle Lichtquellen die Bildanalyse stören.

4. Ein insgesamt verschwommenes Bild erzeugen, wodurch das Bild grau erscheint und die Grenzen zwischen hellen und dunklen Bereichen unscharf werden. Auch Farbbilder können unter Verschleierung leiden.

5. Wenn zwischen der optischen Achse des Objektivs und der Lichtquelle im Sichtfeld ein Winkel besteht, kann Verschmieren auftreten, welches den ursprünglichen Bereich überdeckt und Informationsverluste verursacht.

II. Lösungen zur Bekämpfung von Streulicht

1.  Optimierung des optischen Designs:  

Einsatz hochwertiger Beschichtungen: Durch Aufbringen mehrschichtiger, niedrig reflektierender Beschichtungen auf die Linsenoberflächen kann die Lichtreflexion effektiv reduziert werden.

Vernünftige Lichtweggestaltung: Die Struktur des Lichtwegs durch Ray-Tracing-Simulation optimieren, um zu verhindern, dass Streulicht in den Abbildungsbereich gelangt.

Verwenden Sie Anti-Streulicht-Blenden: Durch das Hinzufügen von Blenden zum optischen Pfad kann abgelenktes Licht blockiert werden.

2. Steuerung externer Lichtquellen:

Blockieren Sie starke externe Lichtquellen: Verwenden Sie Objektivkappen oder Blenden im Aufnahmebereich, um die direkte Einwirkung von starkem Licht zu reduzieren.

Passen Sie den Winkel der Lichtquelle an: Vermeiden Sie zu große Winkel zwischen Lichtquelle und optischer Achse des Objektivs, um reflektiertes Licht, das in das Objektiv gelangt, zu minimieren.

Verwenden Sie Polarisationsfilter: Filtern Sie Licht in bestimmten Richtungen, um Störungen durch Streulicht zu reduzieren.

3. Verbesserung der mechanischen Struktur:  

Optimieren Sie Komponenten um das optische System: Wenden Sie entspiegelnde Behandlungen an, wie z. B. das Besprühen mit mattschwarzem Lack, um Reflexionen zu reduzieren.

Fügen Sie lichtblockierende Strukturen hinzu: Verhindern Sie, dass Streulicht in den Bildbereich gelangt.

4. Korrektur nach der Bildverarbeitung:  

Verwenden Sie bei unvermeidbaren Szenarien Bildverarbeitungsalgorithmen wie Entnebelung und Rauschunterdrückung, um die Auswirkungen von Streulicht zu verringern.

Dynamische Anpassung der Kamera-Expositionsparameter basierend auf der Umgebungslichtintensität, um Überbelichtung oder Unterbelichtung zu vermeiden.

III. Praktischer Fall

In einem industriellen Inspektionsprojekt berichtete der Kunde von starker Bildnebelung unter hellem Umgebungslicht, was zu einem erheblichen Rückgang der Erkennungsgenauigkeit führte. Die Analyse ergab, dass das Streulicht hauptsächlich von Reflexionen innerhalb des Objektivs und direkter Beleuchtung durch äußeres helles Licht stammte.

Es wurden folgende Maßnahmen ergriffen:

1. Hinzufügen von entspiegelnden Beschichtungen im Inneren des Objektivs, um Reflexionen von mechanischen Komponenten zu reduzieren.
2. Installation von Objektivhauben in der Aufnahmesituation, um äußeres helles Licht zu blockieren.
3. Optimierung des optischen Designs durch Hinzufügen von Blenden zur Unterdrückung von Streulicht.

Nach diesen Verbesserungen verbesserte sich die Bildqualität deutlich, und die Erkennungsgenauigkeit erreichte wieder das erwartete Niveau.

Iv. Fazit

Faktoren, die bei der Auswahl eines Framegrabbers zu berücksichtigen sind:

Streulicht ist ein kritisches Problem im optischen Design von maschinellen Sichtsystemen, das nicht ignoriert werden darf, da es die Bildqualität und Systemleistung direkt beeinflusst.

Um Streulicht zu minimieren, erfordert ein Imaging-Objektiv Maßnahmen zur Reduktion von Streulicht in allen Phasen: optisches Design, konstruktiver Aufbau, Linsenfertigung, mechanische Komponentenfertigung und Montage.

Durch die Optimierung des optischen Designs, die Kontrolle von externen Lichtquellen, die Verbesserung der mechanischen Strukturen sowie die Anwendung von bildgebenden Korrekturverfahren lässt sich die Störung durch Streulicht effektiv reduzieren und somit die Stabilität und Genauigkeit des Systems verbessern.

In der Praxis sollten Lösungen flexibel anhand spezifischer Szenarien und Anforderungen ausgewählt werden, um den stabilen Betrieb von Maschinen-Vision-Systemen in unterschiedlichen komplexen Umgebungen sicherzustellen.