Grundlagen zu Flüssiglinsen

Dies ist der Abschnitt 7.1 des Leitfadens zur Bildverarbeitung.

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Grundlagen Flüssiglinsen

Mit Flüssiglinsen können Bildverarbeitungssysteme die Beschränkungen der Tiefenschärfe (DOF) überwinden, da der Fokus elektronisch eingestellt werden kann, ohne dass eine mechanische Bewegung erforderlich ist. Dies kann eine hervorragende Lösung für Anwendungen mit unterschiedlichen Objekthöhen und Arbeitsabständen sein. Zu den herkömmlichen Lösungen für diese Art von Anwendungen gehören motorgesteuerte Zoomobjektive oder die physische Neupositionierung des Objekts, um es in den Fokus zu bringen. Eine andere Möglichkeit, den Tiefenschärfebereich eines herkömmlichen Objektivs zu vergrößern, besteht darin, den Blendenwert zu erhöhen, indem man die Blendenöffnung des Objektivs verkleinert. Allerdings verringert sich dadurch auch die Auflösung und die Lichtmenge, die durch das Bildgebungssystem gelangt, wodurch sich die Erfassungsraten und die Bildqualität verringern (weitere Informationen zur Blende finden Sie unter Systemdurchsatz, Blende und numerischer Apertur). Durch die Integration einer Flüssiglinse kann ein Bildverarbeitungssystem den Fokus elektronisch ändern, ohne die Geschwindigkeit oder die Bildqualität zu beeinträchtigen, unabhängig von der Entfernung des Objekts zur Kamera.

Wie herkömmliche optische Linsen aus Glas sind Flüssiglinsen einzelne optische Elemente, die jedoch aus einem flüssigen optischen Material bestehen, das seine Form verändern kann. Die Brennweite einer Glaslinse hängt von dem Material ab, aus dem sie hergestellt ist, sowie von ihrem Krümmungsradius. Dasselbe Grundprinzip gilt für Flüssiglinsen, wobei Flüssiglinsen aber insofern einzigartig sind, als ihre Brennweite durch Änderung des Krümmungsradius verändert werden kann. Diese Änderung des Radius wird elektronisch gesteuert und rasch in der Größenordnung von Millisekunden geändert. Zur Steuerung des Krümmungsradius und des Brechungsindex der Flüssigkeitslinse nutzen die Hersteller Elektrobenetzung, formverändernde Polymere und akustooptische Abstimmungsmethoden.

Die meisten Bildverarbeitungsobjektive sind aus mehreren Elementen zusammengesetzt, da eine einzelne optische Linse keine ausreichende Abbildungsleistung bietet. Aus demselben Grund ist es nicht ratsam, eine Flüssiglinse allein zu verwenden. Durch die Integration einer Flüssiglinse in ein Bildverarbeitungsobjektiv in einem Multi-Element-Design werden jedoch die Vorteile der Geschwindigkeit und Flexibilität der Flüssiglinse genutzt. Die Fähigkeit, innerhalb von Millisekunden sowohl im Nahbereich als auch auf optische Unendlichkeit zu fokussieren, macht die integrierten Flüssiglinsen zur idealen Wahl für Anwendungen, die eine Fokussierung auf mehrere Entfernungen erfordern, bei denen die zu prüfenden Objekte unterschiedlich groß sind oder sich in verschiedenen Entfernungen vom Objektiv befinden, wie z. B. beim Lesen von Barcodes, Sortieren von Paketen, bei Sicherheitsanwendungen und bei der schnellen Automatisierung. Flüssiglinsen können verwendet werden, um die Flexibilität von Bildverarbeitungssystemen für eine Vielzahl von Anwendungen zu maximieren, die eine schnelle Fokussierung erfordern.

Abbildung 1: Die Brennweite hängt vom Brechungsindex des Glases und von der Form der Linsenoberflächen ab.

Die Linsenmachergleichung

Gleichung 1 ist die Linsenmachergleichung. Diese Gleichung wird zur Berechnung der Brennweite ($ \small{f} $) einer Linse verwendet. Die Gleichung zeigt, dass die Brennweite vom Brechungsindex ($ \small{n} $), dem Krümmungsradius der linken Glasfläche ($ \small{R_1} $) und dem Krümmungsradius der rechten Glasfläche ($ \small{R_2} $) abhängig ist. Die Brennweite kann verkürzt werden, indem der Brechungsindex des Glases erhöht wird – siehe Bild oben - oder die Brennweite kann verkürzt werden, indem einer der beiden Krümmungsradien ($ \small{R} $) verändert wird – siehe Bild unten. Flüssiglinsen funktionieren, indem diese Eigenschaften der Linse elektronisch gesteuert werden. 

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Weiterführende Informationen

 Fachliteratur

Flüssiglinsen in der Bildverarbeitung

 Trends in der Optik

Flüssiglinsen in Bildverarbeitungssystemen

 Anwendungshinweis

Systemdurchsatz, Blende und numerische Apertur