Sichtbar durch Vorwärtsstreuung

Finden kontrastarmer Fehler in transparenten Objekten

Eine Bildverarbeitungsaufgabe wird zur Hälfte durch die richtige Beleuchtung gelöst. Dies ist eine nach wie vor gültige Binsenweisheit und etliche Firmen bieten daher Beleuchtungen speziell für die Bildverarbeitung an. Nichtsdestotrotz kommt es aber auch auf die Erfahrung von Spezialisten an, um fast Unsichtbares (=Kontrastarmes) sichtbar zu machen. Standardbeleuchtungen reichen hierfür oft nicht aus.

Der Signum GmbH wurde eine Inspektionsaufgabe vorgelegt, bei der transparente Kunststoffrohre und -dosen auf mehrere Fehlerarten hin geprüft werden sollten: schwarze und helle Schlieren, unaufgeschlossenes und unaufgeschmolzenes Material, einzelne und/oder mehrere Blasen, Kratzer, Fließlinien und Entformungslinien. Die meisten Fehler stammen von einem fehlerhaften Spritzgussprozess und treten gehäuft entweder am Anfang einer Chargenherstellung auf oder stellen sich schleichend ein. Bei vielen der Muster musste man mit dem Auge mehr als zweimal hinschauen, um überhaupt etwas entdecken zu können. Insbesondere die Fließ- und Entformungslinien waren besonders kontrastarm.

Voruntersuchung und Lösung

Zur Realisierung des Lösungskonzepts war es wichtig, die produktionsbedingten Randbedingungen zu berücksichtigen. Wegen der kurzen für die Bildverarbeitung zur Verfügung stehenden Inspektionszeit von knapp 3s (inkl. Zuführung) und den eingeschränkten Bauraumverhältnissen musste eine Lösung gefunden werden, um alle Fehlerarten möglichst mit einer einzigen Kameraanordnung erfassen zu können. Davor musste aber eine Beleuchtungslösung gefunden werden, mit der alle Fehler bestmöglich kontrastreich ins Bild gesetzt werden konnten. Es zeigte sich, dass ein Durchlicht aus zwei Beleuchtungsstreifen optimale Ergebnisse liefert. Die Beleuchtungsstreifen sind hinter einem Kunststoffrohr parallel so angeordnet, dass sich der dunkle Zwischenraum in der Mitte des Rohrs befindet. So ergeben sich zwei Inspektionszonen: zum einen die hellen Bereiche der Beleuchtungsstreifen, in denen einige Fehler als dunkle Inhomogenitäten ausgemacht werden, andererseits der dunkle Zwischenraum, in dem sich manche Fehler hell darstellen. In der Summe konnten so alle Fehlerarten gefunden werden, manche Fehler sogar in beiden Bereichen.

Was ist das Besondere an der Lösung?

Wenn die hellen Beleuchtungsstreifen breiter gemacht werden, verringert sich der Kontrast der sowieso schon meist kontrastarmen Fehler im Hellbereich. Dies ist zunächst erstaunlich, da die Fehler mehr beleuchtet werden. Da sich aber die Fehler in den Hellbereichen dunkel darstellen, werden sie bei mehr Licht (von der Seite) heller und der Kontrast nimmt ab. Im Dunkelbereich wirkt sich zusätzliches Licht dahingehend aus, dass die sich hell darstellenden Fehler noch heller werden, aber durch Streulicht (z.B. von der Rohrunterseite) auch der dunkle Hintergrund aufgehellt wird, was zu einer Kontrastverringerung führt. Für die zu inspizierenden Objekte wurde eine genau abgestimmte Beleuchtungskonfiguration gefunden. Dabei war darauf zu achten, dass nur der innere Bereich der Rohre (Durchmesser ca. 35mm) betrachtet wird. Die Beleuchtungsstreifen durften aber auch nicht zu schmal sein, um ausreichend große Inspektionsfenster für die Bildanalyse zur Verfügung zu haben. Zur Bildaufnahme entschied man sich für eine Flächenkamera (UI-2240 von IDS), die im Partial-Scan-Modus betrieben wurde. Damit wurden die zu inspizierenden Hell- und Dunkelbereiche gleichzeitig aufgenommen und analysiert. Um das gesamte Rohr zu inspizieren, wird es gedreht. Mit 30 Bildern ist der komplette Umfang des Rohres innerhalb einer halben Sekunde komplett und lückenlos erfasst sowie inspiziert. Der Arbeitsabstand der Kamera und die Helligkeit der Beleuchtung ist so eingestellt, dass der Schärfentiefenbereich groß genug ist, um Rohrvorder- und -rückseite scharf abzubilden. Alternativ wurden auch zwei Zeilenkameras erwogen. Die eine Zeilenkamera scannt den Dunkelbereich und die andere den Hellbereich gleichzeitig ab. Vorteile dieser Anordnung wären eine höhere Geschwindigkeit, höhere Bildauflösung und bessere Abstimmung der Blende für den Hell-/Dunkelbereich. Dagegen standen aber der beengte Bauraum und die höheren Kosten.