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大倍率下的高质量图像:用于大型线传感器和区域传感器的快速、高分辨率镜头
来源:中国数控机床网   发表时间:2021/11/17 15:43:00  浏览次数:
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在新的“d.fine HR”产品系列中,Qioptiq可提供高分辨率LINOS® d.fine HR 2.4/128mm 3.33x镜头,它适用于要求严苛的线传感器和区域传感器。由于具有非常高的发光强度,因此它能提供较高的扫描速度,非常适合工业制造中的高端检测任务。当分束器与镜头完美匹配时,可实现最佳的同轴线路照明,这使得线传感器可获得高对比度的清晰图像。此外,其可选区域模块(d.fine HR 区域扫描模块)也使得这款高分辨率检测镜头非常适合与二维区域传感器一起使用。

图1 Qioptiq的质量保证:工业制造中的高分辨率检测也需要合适的精密光学元件

工业生产中越来越小的公差范围对光学检测和质量保证提出了越来越高的要求。除了具有更大、更高分辨率图像传感器的工业相机外,这也适用于所需的工业镜头。为了充分利用现代化相机系统的高分辨率传感器,需要采用专业制造商如Qioptiq提供的高性能光学元件。Excelitas Technologies的这家德国子公司扩大了其现有的产品范围,现可提供具有出色成像性能和较高性价比的高分辨率镜头。

完美组合

鉴于机器视觉领域的要求较高,每个单独组件的生产都是一大挑战。然而,更为关键的是组件、装配技术和调整系统之间的相互作用,整个生产工艺链必须完美协调,从特定的玻璃,到结合机械设计的光学设计,再到安装和测量技术。多年来,Qioptiq在这种相互作用方面积累了丰富的经验。其新的LINOS® d.fine HR2.4/128mm 3.33x镜头基于熔合计算(meltfit calculation);这意味着所使用的每块玻璃都需经过测量,然后根据特定的玻璃熔体来调整光学设计。这是必要的步骤,因为即使是玻璃制造商提供的最严格的公差等级也太大了,无法保证批量生产中始终保持高成像质量。此外,必须极其精确地调整每个单镜头元件的位置,以实现倾斜、居中和定位。Qioptiq为此开发了自主的装配技术,远远超过了通常标准镜头的安装精度。

非常适合全自动检测系统

LINOS® d.fine HR 2.4/128mm 3.33x 镜头面向图像处理系统和全自动检测设备制造商。作为标准产品提供,它可以缩短下一代检测系统的上市时间,因为不需要考虑定制镜头额外的开发时间。Qioptiq还为该镜头提供了配套的配件:d.fine HR棱镜模块,可确保线扫描应用中同轴照明最佳耦合。还有,d.fine HR 区域扫描模块,可与区域传感器一起使用。此外,d.fine HR标准系统能够精确对焦,并适用于带有M72、M90和M95螺纹的工业相机。镜头和棱镜模块的总长度可控制在177.1 mm,带区域扫描模块的镜头总长度可限制为 146 mm。这款新镜头的光学性能超过了市场上得到广泛认可的inspec.x L镜头系列。HR镜头提供高分辨率、清晰的图像,在整个图像场中具有均匀的高对比度,因此非常适用于进一步的电子处理。

图2 例如,它有用于检查晶片上最精细电路结构的完美分辨率

其应用领域包括晶圆、平板屏幕、OLED、印刷电路板和玻璃生产中的质量控制。此处必须在短周期内对大面积进行扫描,其公差在微米范围内。由于具有大光圈,这款新的d.fine HR镜头已成为这类应用的理想选择,即使是在快速应用中,也能为传感器提供充足的光线。该镜头的焦距为128毫米,放大率为3.33x,可满足工业要求,并能取代inspec.x L 4/105 3.5x。此外,其工作距离相对较大,达60 mm,这为集成到各种系统和应用提供了灵活性。

图3 带有棱镜模块的d.fine HR镜头用于耦合同轴照明,确保使用16k/5μm和 16k/3.5μm线传感器获得最高的成像质量

有限衍射和无失真

LINOS® d.fine HR 2.4/128mm 3.33x可实现极高的分辨率,在物体中每毫米高达 300 线对。它针对82mm的像圈进行了优化,因此成为长线传感器(16k/32k)和中画幅大面积传感器(101MP/151MP)的理想选择。此外,它还具有出色的色彩校正功能,可确保直达边缘的高成像性能。在82 mm的大成像圈中几乎不存在失真。其标称值小于0.1%,因此无需软件校正功能。

2.4的高光圈与3.33x的放大率相比,以及由此产生的0.13的物测数值孔径,将衍射极限向上推,从而提供了高分辨率和光强度。这有助于缩短曝光时间并加速生产过程,从而提高产量。这就是基于衍射限制设计的新镜头的优势所在。比较来看,inspec.x L 系列镜头的光圈为 f/3.5 或 f/4。

德国精密制造

d.fine HR镜头是LINOS机器视觉镜头系列中第一款在放大率大于1的情况下支持低至3.5μm像素尺寸的镜头。相较而言,inspec.x-L镜头对5μm的像素尺寸进行了优化,理论上在传感器上实现了50 LP/mm的最大成像性能,在420-680 nm的光谱分布下对比度为38%。 而新的d.fine HR镜头在整个82 mm的大像场内以72 LP/mm的速度也能实现这些数值。为了在批量生产中保持这种高质量,必须使用对装配和测量技术有高要求的稳定的生产工艺。Qioptiq采用各种专有的装配技术,确保了光学元件精确对准、居中并固定位置,以满足严苛的公差。Qioptiq拥有最先进的实验室和测量设施,以开发和制造高质量的检测镜头。除了计量行业知名制造商的 MTF 系统外,Qioptiq还开发了自主的 MTF 系统,以展示如何满足检测镜头的特殊要求并支持产品开发。在2010年德国慕尼黑附近费尔德基兴建立的新工厂内,研发、原型制造、系列组装和认证工作正在齐头并进地进行中。镜头的精密光学元件在巴伐利亚林山的Regen采用了最新工艺进行精确制造、镀膜和测试。这座超现代化的工厂在 2006年建成投产。

图4 MTF (调制传递函数)d.fine HR 2.4/128 3.33x (左)72 LP/mm

图5 MTFinspec.x L 4/105 3.5x 棱镜50 LP/mm

与图5相比

100% 酸性测试

所有镜片在交付前都要经过100%的MTF测试,并按照以下ISO测试程序进行环境要求认证。

温度: DIN ISO 9022-10-05-1 / 9022-11-05-1 / 9022-14-03-1

抗冲击性: DIN ISO 9022-31-01-0

抗震性: DIN ISO 9022-36-07-1

这确保了Qioptiq的工业镜头坚固耐用,能在运输和存储过程中保持完好无损,并在恶劣的工业环境中长期稳定地发挥作用。

当然,LINOS® d.fine系列也符合现代工业产品的环保要求,符合RoHS和 REACH标准。 让Qioptiq更很自豪的是,自 2021 年起它被认证为碳中和公司,为创新、可持续发展做出贡献。

图6 Qioptiq在德国费尔德基兴和雷根拥有最先进的机器视觉镜头制造和测试设施(此处:新HR镜头的MTF测量)

完美协调的模块

Qioptiq提供的HR镜头可与棱镜模块或区域扫描模块相组合。分光棱镜为配置镜头和照明组成的完整光学系统带来极大便利,因为它能为线扫描相机的同轴照明提供光耦合。这对于具有高反射率的表面(例如显示器或晶圆)来说尤为重要。镜头和分光棱镜须组成一个光学单元,且组件之间必须完美匹配。对棱镜的高光学要求和安装技术在此处也很关键。这些组件共同实现了最佳的有限衍射成像性能。通过V型槽可以完成镜头与相机和棱镜的安装与连接。这使得棱镜和镜头的方位能保持完美对齐,并对照明进行精确调整。

如果不需要通过棱镜模块进行线状照明,就需要对棱镜块的玻璃厚度进行补偿,这在镜头设计中已经考虑到了。区域扫描模块可以解决这个问题。其最大的优点在于,根据附加的模块,同一个镜头可用于同轴照明的线传感器和区域传感器。

用于工业图像处理的镜头取景器

Qioptiq可提供MachVi软件来帮助用户选择合适的镜头,可通过下载免费软件,根据物体尺寸、工作距离、传感器尺寸和相机支架等四个规格来计算所有必要的光学参数,并从 LINOS 机器视觉系列中选择合适的镜头和必要的机械组件。

总结

凭借LINOS机器视觉镜头,Qioptiq符合当前工业镜头的最高标准。传感器技术的不断发展推动用户对分辨率镜头提出更高的要求。传感器越来越大,像素尺寸却在不断减小,从而满足更高要求的测量任务。这也提高了用户对光学元件的要求,它必须保证在整个像场中具有相应的高分辨率。通过LINOS® d.fine HR 2.4/128mm3.33x,Qioptiq为市场提供了一款能完美满足当前需求的镜头。

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