Polarisierend
Vielfältige Einsatzgebiete für Polarisationskameras
Mechanische Spannungen im Glas, Fabrikationsfehler bei Kohlefasergeweben, Qualitätsprüfung bei spiegelnden Metalloberflächen: die Bildgebung mit polarisiertem Licht erobert in der Bildverarbeitung neue Anwendungsfelder.
Restspannungen im Glas werden dank Polarisationskameras in nur einer Aufnahme sichtbar (Retardation als die gemessene Verzögerung des Lichts). (Bild: Baumer Optronic GmbH)
Blickt man an einem sonnigen Tag auf eine Wasseroberfläche, sind die Spiegelungen so stark, dass man die Augen zusammenkneifen muss. Setzt man eine Sonnenbrille mit Polfilter auf, sind die Spiegelungen wie weggezaubert und der Blick reicht plötzlich tief ins Wasser hinein. Auch Fotografen nutzen Polfilter für ihre Objektive, um Spiegelungen auf Wasser, Glas oder Metall zu blockieren und kontrastreiche Bilder zu erhalten. Was im Alltag nützt, hat auch in industriellen Applikationen Potential. Der von Sony entwickelte Bildsensor IMX250MZR mit direkt auf dem Sensor integrierten Polarisationsfiltern ermöglicht die Entwicklung geeigneter Polarisationskameras wie die CX-Kameras von Baumer. Auch Know-how wurde kontinuierlich aufgebaut, wie am Fraunhofer IIS in Erlangen, das seit mehr als 20 Jahren zu neuen Methoden der Bildgebung forscht und für viele Unternehmen bereits Polarisations-Pilotprojekte umgesetzt hat.
Die Faserlagen von Kohlenfaser-Verbundwerkstoffen können mit Polarisationsgebung einfach auf Position und Deformation geprüft werden: Intensitätsbild S0 (o.); Polarisation in HSV-Falschfarbendarstellung (u.). (Bild: Baumer Optronic GmbH)
AOP, DOLP und ADOLP mit einer Aufnahme
Die GigE und USB 3.0 Polarisationskameras von Baumer nutzen die Polarisationseigenschaften des Lichts. Dafür setzen sie auf den 5MP Global Shutter Sensor IMX250MZR, der über eine zusätzliche Polarisationsschicht verfügt. In dieser sitzen vor vier benachbarten Pixeln je ein Polarisationsfilter, der nur Licht einer bestimmten Schwingungsrichtung – 0°, 45°, 90° oder 135° – durchlässt. Stabile Auswertealgorithmen im Baumer Gapi SDK bestimmen aus den Rohbilddaten automatisch Polarisationswinkel (AOP, Angle Of Polarization), Polarisationsgrad (DOLP, Degree Of Linear Polarization) oder beides zusammengefasst (ADOLP, Angle and Degree Of Linear Polarization). Statt eines komplexen Prüfsystems mit wechselnden Filtern oder eines Mehrkamerasystems reicht so eine Kamera und eine Aufnahme aus. So werden einfache und kostengünstige inline-Lösungen ermöglicht, bei denen der Anwender flexibel bestimmen kann, welche Informationen er für seine weitere Bildauswertung benötigt.
In der Qualitätsprüfung spiegelnder Oberflächen wie Folie punkten Polarisationskameras und entfernen Glanzeffekte. (Bild: Baumer Optronic GmbH)
Verborgenes sichtbar machen
Mithilfe von Polarisationskameras werden physikalische, für das menschliche Auge nicht erfassbare Materialeigenschaften sichtbar und damit auswertbar – ein Ölfleck auf einer Metalloberfläche ist fürs Auge z.B. fast unsichtbar, eine Polarisationskamera sieht dagegen einen hellen Kreis. Großes Potential besteht auch in der Glasindustrie. Steht Glas unter mechanischer Spannung, kann es bei Erschütterung, Hitze oder beim Schneiden brechen. Diese Spannungen entstehen beim Abkühlen des Glases, besonders aber, wenn es in einen Rahmen mit einer anderen Wärmeausdehnung eingefasst wird. Kritisch ist das beispielsweise bei Fenstern in sicherheitsrelevanten Bereichen, etwa in der Medizin oder der chemischen Industrie. Bisher werden zur Messung der Restspannung häufig vor und hinter dem Glas gekreuzte Polarisationsfilter eingesetzt. Mit weißem Licht hindurchgeleuchtet werden farbige Strukturen sichtbar, da die Polarisationsebene des Lichts in Abhängigkeit von der mechanischen Spannung im Glas gedreht wird (Spannungsdoppelbrechung). Da jedoch mehrere Bilder hintereinander aufgenommen werden müssen, ist diese Messmethode nicht inline-fähig. Setzt man hingegen auf eine Polarisationskamera liefert ein einziges Bild alle benötigten Informationen, um verspanntes Glas sicher zu detektieren. Interessant ist die Bildgebung mit polarisiertem Licht auch für die Qualitätsprüfung von kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK), wie sie in der Automobil- oder Luftfahrtindustrie eingesetzt werden. Für das Auge sind Kohlefasergewebe dunkelgrau, eine Polarisationskamera erkennt aber, dass der Polarisationswinkel des reflektierten Lichts unterschiedlich ist und von der Richtung der Fasern abhängt. In den berechneten Bildern wird die Faserrichtung farblich dargestellt. Fehler im Faserverlauf, die mit bloßem Auge nicht auffallen, aber entscheidenden Einfluss auf die Materialstabilität haben, werden so erkannt. Dank einer Polarisationskalibrierung ab Werk, erreichen die CX-Polarisationskameras eine Winkelauflösung von 1°, um auch kleinste Abweichungen der Faserrichtung sicher zu identifizieren. Die Kontrolle von reflektierenden oder glänzenden Oberflächen wie Metall oder Folien sind weitere Einsatzbereiche. Durch die Selektion einer Polarisationsrichtung werden Glanzeffekte effektiv reduziert, um z.B. Kratzer besser zu erkennen oder Codes sicherer zu lesen – ohne dass das Bild insgesamt dunkler wird. Allerdings gibt es auch Grenzen der neuen Technologie, wie bei schwarz eingefärbtem Glas oder Mehrschichtglas.
