Was man beachten muss!

Beleuchtung für Zeilenkamera-Anwendungen – Teil 2/2

Teil 2 unserer Miniserie zum Thema optimale Beleuchtungslösungen beschäftigt sich mit den Themen Arbeitsabstände, Modullänge, LEDs sowie Polarisation und gibt zudem einige nützliche Praxistipps.

Unterschiedliche Arbeits- abstände

Ist ein flaches Objekt mit bekanntem und fixem Abstand zu beleuchten, ist die Auswahl der notwendigen Fokussierung relativ einfach. Aber wie sieht es aus mit variierenden Abständen, wenn das Objekt keinen genau definierten Abstand zum Licht hat oder die Oberfläche nicht flach ist? Der Einsatz von Reflektortechnik ermöglicht eine bessere Lichtverteilung über die Tiefe. Bild 1 verdeutlicht die Vorteile der Reflektortechnik. Für eine optimale Bilderfassung wird eine homogene Lichtverteilung in der Länge, Breite und Tiefe benötigt. Probleme in der Farbwiedergabe, die bei der Bildaufnahme mit weißen LEDs vorkommen, resultieren häufig aus chromatischen Linsenfehlern, wenn z.B. Stablinsen zur Fokussierung von Licht eingesetzt werden. Wenn der Abstand vom Objekt zur Kamera und zur Beleuchtung variiert, stellt die schwankende Bildhelligkeit üblicherweise eine Herausforderung für die Bildverarbeitung dar. Durch die Wahl des richtigen Reflektors kann über einen großen Bereich eine gleichmäßige Helligkeit erzeugt werden. Einige Beleuchtungssysteme fokussieren z.B. das Licht der LED über eine speziell patentierte Reflektortechnologie und vermeiden dadurch chromatische Fehler bei unterschiedlichen und schwankenden Arbeitsabständen. Die Y-Achse in Bild 2 zeigt die relative Helligkeit bei unterschiedlichen Abständen.

Die richtige Modullänge

Jedes Objektiv verursacht im Rohbild einen Helligkeitsabfall von der Mitte zum Bildrand. Der Helligkeitsverlust ist proportional dem Wert von cos4 (phi), wobei phi der gemessene Winkel von der optischen Achse (Bildmitte) ist. Bild 3 zeigt den Helligkeitsverlust über den Bildwinkel, ausgehend von der Bildmitte. Deshalb ist es ratsam, auf den Einsatz von großen Bildwinkeln bzw. Weitwinkelobjektiven zu verzichten. Der zu erwartende Helligkeitsverlust würde direkt das Rauschen im Bild zum Bildrand hin erhöhen. Weiterhin nimmt die Beleuchtungsstärke von Zeilenbeleuchtungen am Rand ab. Während ein Punkt in der Mitte von beiden Seiten gleichmäßig Licht erhält, wird ein Punkt am Rand immer mehr nur einseitig beleuchtet. Deshalb ist es notwendig, die Länge der Beleuchtung in Abhängigkeit von der Länge des Objektes und vom Abstand der Beleuchtung zum Objekt zu wählen. Es ist empfehlenswert, Beleuchtungsmodule zu verwenden, die länger als das Objekt sind. Je größer die Entfernung zwischen der Beleuchtung und dem Objekt ist, desto größer sollte das Modul sein. Um hinreichende Beleuchtungsbedingungen zu erhalten, kann folgende Formel angewandt werden: IL=FOV+2*D – FOV=Field Of View, D=Distance (Licht zu Objekt).

Die richtige LED-Wahl

LEDs sind in vielen verschiedenen Farben verfügbar. Es gibt sie in rot, grün, blau, gelb oder amber. Auch UV-LEDs und IR-LEDs sind erhältlich. Bei UV-LEDs ist jedoch zu beachten, dass – bei einer Wellenlänge von kleiner als 365nm – die Lebensdauer der LEDs sehr kurz und die Emissionen schwach sind. IR-LEDs mit einer Wellenlänge von mehr als 950nm haben nur eine äußerst begrenzte Leistung. Nichtsdestotrotz helfen verschiedene Farben und Wellenlängen Anwendern dabei, Objekteigenschaften auf Oberflächen mit unterschiedlichem Spektralverhalten sichtbar zu machen. In der Vergangenheit wurde die rote Beleuchtung oft dort angewandt, wo hohe Intensitäten gefordert wurden. Relevante Leistungssteigerungen in der LED-Technologie gibt es aktuell hauptsächlich bei den weißen LEDs. Diese Hochleistungs-LEDs kommen z.B. in Autoscheinwerfern und Straßenleuchten zum Einsatz. Tatsächlich besteht der Kern einer weißen LED aus einer blauen LED. Mithilfe phosphoriszierender Leuchtstoffe werden Teile des Lichtes der blauen LED in den sichtbaren Spektralbereich bis 700nm konvertiert. Technologie-bedingt liegt die Herausforderung für die LED-Hersteller darin, das weiße Spektrum zu stabilisieren. Toleranzen in der Chiptechnologie und weitere Abweichungen in der Beschichtung führen zu ungewollten Schwankungen der Lichtfarbe innerhalb derselben Produktionslinie. Deshalb werden alle LEDs von den Herstellern vermessen und in Farbgruppen (Binnings) eingeteilt. Jede Gruppe enthält LEDs mit gleicher Lichtfarbe und Effizienz innerhalb definierter Toleranzen. Bei der Auswahl der Beleuchtung sind die Farbgruppen entsprechend zu berücksichtigen. Falls mehrere Module mit unterschiedlichen Farbklassen in einer Anlage verwendet werden, kann dies zu Problemen bei der späteren Bildanalyse führen. UV-LEDs werden in der Praxis häufig dazu verwendet, Fluoreszenzeffekte sichtbar zu machen. In vielen Fällen ist dazu eine Wellenlänge von ca. 400nm ausreichend. Darüber hinaus können für die Aushärtung von Farben, Klebstoffen oder Lacken UV-LEDs mit kürzeren Wellenlängen die richtige Wahl sein. UV-LEDs sind jedoch im Vergleich zu blauen oder weißen LEDs weniger leistungsfähig. Durch eine Fokussierung über einen Reflektor kann die Bestrahlungsstärke jedoch erhöht werden. IR-Beleuchtungen werden z.B. in der Lebensmittelinspektion eingesetzt. Hier kommen Wellenlängen von 850 bzw. 940nm zum Einsatz. In der Sortierung von Recyclingmaterialien können mit Wellenlängen von 1.200 bis 1.700nm unterschiedliche Materialien erkannt werden. Allerdings sind die IR-LEDs in diesem Wellenlängenbereich gegenüber Halogenlampen mit entsprechenden Filtern in Bezug auf ihre Strahlleistung im Nachteil.

LED-Controller

Aktuell werden am Markt verschiedene technische Konzepte für LED-Controller angeboten: Einige sind in die Beleuchtung integriert, andere sind extern realisiert. Der Controller ist nicht nur für die richtige Stromversorgung der LEDs verantwortlich, er kann u.U. auch ein Schlüsselfaktor für den Erfolg einer Applikation sein. Ein zuverlässiges Bildverarbeitungssystem benötigt stabile Umgebungsbedingungen. Ist der LED-Controller z.B. bzgl. der Temperatur oder der zugeführten Spannungsversorgung nicht stabil, hat das Schwankungen in der Helligkeit zur Folge. Dies führt bei der Inspektion zu Schwankungen im Bild und kann eine Defekterkennung entscheidend stören. Besonders bei den hohen Frequenzen moderner Zeilenkameras ist deshalb eine sorgfältige Auswahl des Controllers erforderlich. In industriellen Arbeitsumgebungen ist neben einer robusten Bauform die Auswahl der geeigneten Controller-Schnittstelle von Bedeutung. Über diese kann der Anwender die Lichtstärke bedarfsgerecht steuern, z.B. für den Fall, dass unterschiedliche Materialien, die auf der gleichen Produktionslinie inspiziert werden, unterschiedliche Lichtstärken benötigen. Verfügbare Schnittstellen sind Ethernet, RS485, USB, RS232, PWM oder analog. Wenn Controller für spezielle Lichtsysteme optimiert wurden, kann eine Temperaturüberwachung oder sogar eine Temperaturstabilisierung durchgeführt werden. Die Stabilität und funktionale Sicherheit eines Bildverarbeitungssystems lässt sich dadurch signifikant steigern.

Polarisation

Glänzende oder reflektierende Materialien sind im Hinblick auf die Beleuchtung eine Herausforderung. Häufig kommt es zu unerwünschten Reflektionen im Bild. In Kombination mit einem um 90° gedrehten Polfilter vor der Kamera werden diese unerwünschten Lichtreflexe verhindert. Beim Einsatz von Polarisationsfiltern in der industriellen Bildverarbeitung gilt es einige Faktoren zu beachten. Ein Punkt ist die Temperaturstabilität der Filter. Viele Polfilter sind diesbezüglich nur eingeschränkt einsetzbar. Ein weiteres Kriterium ist die Effektivität: Durch die Anordnung gekreuzter Polfilter erreicht nur ca. 18 bis 20% der ursprünglichen Lichtmenge den Sensor. Die Lichtmenge der Beleuchtung muss also entsprechend hoch sein, um Rauschen zu minimieren und eine ausreichende Bildqualität beim Einsatz von Polfiltern zu erzielen.

Teil 1 (inVISION 5/14): Rauschen, Lebensdauer und Temperatur Das sollten Sie beachten

• • Objektivblende und Lichtmenge haben einen signifikanten Einfluss auf das Signal-Rausch-Verhältnis.
• • LED-Systeme bieten deutliche Vorteile gegenüber traditionellen Beleuchtungstechnologien wie Halogen- oder Fluoreszenzlampen.
• • Eine gute Kühlung sichert eine lange Lebensdauer, ein konstantes Spektralverhalten und eine hohe Helligkeit.
• • Der Einsatz von Reflektoren sichert eine optimale Ausleuchtung auch bei unterschiedlichen Arbeitsabständen.
• • Um Helligkeitsabfälle zum Bildrand zu verringern, sollten Beleuchtungsmodule länger als das zu inspizierende Objekt sein.
• • Farbige LEDs, UV- und IR-LEDs bieten eine optimale Basis für unterschiedliche Anwendungsfälle.
• • Polarisationsfilter verhindern unerwünschte Lichtreflexe auf glänzenden Oberflächen. Die gebotene Lichtmenge der Beleuchtung sollte jedoch ausreichend groß sein.
• • LED-Controller sind für die Leistungsfähigkeit eines Beleuchtungssystems von entscheidender Bedeutung. Wichtig sind eine robuste Bauform und die Auswahl der richtigen Schnittstelle.