Lichtquellen in der industriellen Bildverarbeitung. Tutorial

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1 Lichtquellen in der industriellen Bildverarbeitung Tutorial

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3 1. Lichtquellen in der industriellen Bildverarbeitung Halogenglühlampen (Kaltlichtquellen) Traditionelle Lichtquelle, die vor allem in Kaltlichtquellen genutzt wird. Sonstige Anwendung in der Bildverarbeitung selten, da kaum eine Strahlformung zur gezielten Beleuchtung möglich ist, die Wärmeentwicklung (ca. 93% der Leistung) sehr stark ist und der Licht-Wirkungsgrad (ca. 7%) gering ist. Der Kolben der Halogenglühlampe ist mit einem Halogengas (Cl, F, Br, J) gefüllt, mit dem Zweck, das Abdampfen der Glühwendel und Niederschlagen (Schwärzung) auf dem Lampenkolben zu verhindern. Damit wird auch die Farbtemperatur (typisch 2850 K) erhöht, es entsteht weißeres Licht. Die Lebensdauer von Halogenglühlampen ist begrenzt und variiert je nach Leistung zwischen 100 und Stunden. Geringere Betriebsspannungen (Dimmen) verlängern die Lebensdauer, ändern aber die Farbtemperatur, und bewirken, dass der Halogen-Kreisprozess nicht mehr funktioniert (schnelleres Schwärzen des Lampenkolbens). Halogenglühlampen sind sehr hell und liefern ein weißes Licht mit einem kontinuierlichen Spektrum. Sie sind träge beim Schalten (Nachleuchten, Einschaltverzögerung), sehr erschütterungsempfindlich im Betrieb (Reißen der Glühwendel) und Betriebsspannungs-schwankungen schlagen sich direkt in Schwankungen des Lichtstrom wieder. Sehr hell Keine Monochromasie (Weißlicht) Träge beim Schalten Geringe Lebensdauer Großer Helligkeitsabfall Erschütterungsempfindlich im Betrieb Betriebsspannungsschwankungen Ca. 93% der Energie sind IR-Anteil Unflexible Formen (Glasfaser) Tabelle 1: Vor- und Halogenglühlampen Metalldampflampen (Kaltlichtquellen) Lichtquelle und spezielle Form der Gasentladungslampe, bei der die Farbwiedergabe durch Zusatz von Halogeniden verbessert wurde. Metalldampflampen sind sehr hell, haben eine hohe Farbtemperatur, eine längere Lebensdauer als Halogenglühlampen, besitzen aber kein kontinuierliches Spektrum. Sehr hell Farbtemperatur wie Sonne Sehr teuer Einzelne Spektralbänder Vision & Control 2007 Seite 3

4 Einzelne Spektralbänder Längere Lebensdauer als Halogen Tabelle 2: Vor- und Metalldampflampen Gasentladungslampen / Blitzgeneratoren Erzeugt Strahlung durch Gasentladung bei hoher Lichtausbeute (bis zum 20-fachen Strahlungsfluß einer Halogenglühlampe). Leuchtstofflampen, Bogenlampen, Xenonkurzbogenlampen sind Gasentladungslampen. Druck und Art der Lampenfüllung mit Gasen bestimmen wesentlich die Eigenschaften. Als Gase werden Xe, Ar und Metalldämpfe (Hg, Na) verwendet. Da da Gas zum Erzielen seiner Betriebseigenschaften heiß sein muß, benötigen Gasentladungslampen eine Anlaufzeit. Alle Gasentladungslampen müssen mit Strombegrenzung betrieben werden und benötigen daher ein Vorschaltgerät. Auf Grund ihrer zum Teil schwierigen Betriebsbedingungen (Hitze, Hochspannung, Größe und festgelegte Form) werden Gasentladungslampen nur begrenzt in der Bildverarbeitung eingesetzt. Extrem hell Blitzbar (bis 60 Blitz/sec.) Sehr weiß Hochspannung EMV-Problematik Teuer Aufwendige Elektronik Tabelle 3: Vor- und Gasentladungslampen Leuchtstofflampen Ist durch ihren geringen Preis eine in der Bildverarbeitung gern genutzte Beleuchtung mit Leuchtstofflampen als Lichtquelle. Die vom hauptsächlichen Einsatz in der Gebäudebeleuchtungs-technik vorgegebenen Formen (Linie und Ring) schränken die Einsatzgebiete ein: als low-end-lichtquelle für Durchlicht, als Lichtquelle zur großflächigen Ausleuchtung und als -Ringlicht. Bei Leuchtstofflampen sind verschiedene Farbtemperaturen ( K) sind möglich, wodurch der Einfluss auf die Farbbildverarbeitung groß ist. Spezielle Leuchtstoffe ermöglichen auch Ausstrahlung im UV-A-Bereich ( ultraviolettes Licht). Die Lichtausbeute ist sehr gut. Nachteilig ist das frequenzabhängige Schwanken der Helligkeit. Die allgemein gegebene Nichtsynchronität zwischen Lichtfrequenz und Kamera-Bildaufnahmefrequenz führt zu Schwebungen und damit zu nicht definierten Helligkeitsverhältnissen. Für die Verwendung in der Bildverarbeitung müssen daher Leuchtstofflampen mit HF-Vorschaltgeräten (f > 15 khz) betrieben werden, damit die Helligkeit im aufgenom- Seite 4 Vision & Control 2007

5 menen Bildes konstant bleibt. Zu beachten ist, dass die Intensität des Lichtes von der Umgebungstemperatur abhängig ist, die Lichtquelle ca. 10 Minuten warmlaufen muss und Alterung zu Helligkeitsdrift führt (am Ende der Lebensdauer ca. 50%). Mittlere Lebensdauer Stunden. billig unflexible Form Betriebsdauer h HF-Vorschaltgerät notwendig (EMV) starke Temperaturdrift starke Alterung Warmlaufen notwendig Tabelle 4: Vor- und Leuchtstofflampen Laser Lichtquelle auf Basis des Laser-Effektes. In der Bildverarbeitung werden fast ausschließlich Diodenlaser genutzt. Laserlichtquellen sind kohärent, monochromatisch und weisen Speckles auf. Sie werden u.a. für strukturierte Beleuchtungen angewendet. Auf Grund der großen Energiedichte bedürfen Laserlichtquellen besonderer Schutzmaßnahmen ( Laserklasse). Strukturierte Beleuchtungen Variabel formbar Speckles Besondere Schutzmaßnahmen Tabelle 5: Vor- und Laser LEDs Nutzen die vorteilhaften robusten Eigenschaften von Luminiszenzdioden (LED) als Lichtquellen. Durch die geringe Flussspannung der einzelnen LEDs besitzen industrietaugliche LED-Beleuchtungen leistungsfähige Ansteuerschaltungen, die u.a. folgende Funktionen realisieren: Anpassung des Spannungsbereiches auf einen weiten Bereich Hochfrequenzbetrieb / Modulation mit hohen Frequenzen (Periodendauer << Belichtungszeit flimmerfreie Beleuchtung) Stabilisierung Ermöglichen einer Helligkeitseinstellung (manuell, über Steuerspannung oder Bus) Bereitstellung von Blitzmöglichkeiten Vision & Control 2007 Seite 5

6 Speicherung von Beleuchtungsparametern (Helligkeiten, Muster) Anbindung an Bussysteme Die Varianten der Ansteuerung von LED-Beleuchtungen ermöglichen Helligkeitsnachführung (Regelschleife). Durch die Kleinheit der einzelnen LED können LED-Beleuchtungen nahezu beliebige Beleuchtungsformen annehmen. Farbige Mischbestückung sowie Blitzbeleuchtungen sind möglich. LED-Beleuchtungen arbeiten wartungsfrei. Besonders industrietauglich Lebensdauer (> h) Kurzfristig kostenintensiver Große Helligkeit von Halogenlampen noch nicht erreicht Erschütterungsunempfindlich Nahezu monochrom Geringe Helligkeitsdrift Ideale elektrische Ansteuerbarkeit Beliebige Beleuchtungsformen Farbige Mischbestückung Geringe Leistungsaufnahme Blitzbeleuchtungen IR, farbig Keine Wartung / Instandhaltung Tabelle 6: Vor- und LEDs Seite 6 Vision & Control 2007