Fachartikel. Die richtige Beleuchtung Grundvoraussetzung für eine sichere und genaue Erkennung

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1 Vision & Control GmbH Mittelbergstraße Suhl. Germany Telefon: / Telefax: / Fachartikel Teil 2: Beleuchtungskonzept Durchlicht Die richtige Beleuchtung Grundvoraussetzung für eine sichere und genaue Erkennung Die Zuverlässigkeit eines industriellen Bildverarbeitungssystems ist im entscheidenden Maße von der Beleuchtung abhängig. Der Teil 2 der Beitragsserie beschreibt das Prinzip der Beleuchtungsart Durchlicht und zeigt an Beispielen die Umsetzung in der zu lösenden Aufgabe, die mit vicolux Hochleistungs-LED-Beleuchtungen von Vision & Control realisiert wurden. Beim Beleuchtungskonzept Durchlicht erfolgt die Beleuchtung gegenüber der Beobachtungsebene, dass heißt sie liegt im Halbraum hinter der Objektebene (siehe Bild 1). Bild 1: Beim Beleuchtungskonzept Durchlicht erfolgt die Beleuchtung gegenüber der Beobachtungsebene und damit auf der Unterseite des zu inspizierenden Prüfobjektes.

2 Diese Anordnung ist insbesondere für Applikationen geeignet, bei denen kontrastreiche Bilder, so genannte Schattenbilder, von undurchsichtigen Objekten, zum Beispiel für die Realisierung von Vermessungsaufgaben, gefordert sind. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist das Inspizieren und Kontrollieren von lichtdurchlässigen Objekten, z.b. auf das Vorhandensein von Fremdkörpern oder Einschlüssen in den Prüfobjekten. Grundsätzlich ist die Durchlichtbeleuchtung die ideale Beleuchtung für Aufgaben, bei denen eine Abbildung weitgehend unabhängig von den optischen Eigenschaften der Oberfläche der Prüfobjekte erreicht werden soll. Bei den Beleuchtungsszenarien im Durchlicht sind vorwiegend diffuse Beleuchtungen (siehe Bild 2) im Einsatz, um gleichmäßige Lichtverhältnisse zu erreichen. Das diffuse Licht hat die Eigenschaft sich im Halbraum vor der Beleuchtung in alle Richtungen gleichmäßig auszubreiten. Dadurch wird eine homogene Abbildung des zu überprüfenden Objektes gewährleistet, so dass die angewendeten Prüfalgorithmen objektbezogen arbeiten und eine fehlerfreie Auswertung gewährleistet ist. Bild 2: Diffuse Flächenbeleuchtungen von Vision & Control, speziell zum Einsatz bei Durchlichtprüfungen. Ein Sonderfall sind die telezentrischen Beleuchtungen. Dabei sendet die Beleuchtung aufgrund einer in der Beleuchtung integrierten speziellen Optik nur gerichtete, parallele Lichtstrahlen aus. Telezentrische Beleuchtungen können nur in Kombination mit einen telezentrischen Objektiv (siehe Bild 3) verwendet werden. Dieser Beleuchtungstyp ist im Durchlicht für hochpräzise Messaufgaben prädestiniert. Bild 3: Schematische Darstellung eines Prüfaufbaus mit telezentrischem Objektiv und telezentrischer Beleuchtung für hochpräzise Messungen im Durchlicht.

3 Auswahl der richtigen Beleuchtung Der Anwender sieht sich heute mit einer fast unüberschaubaren Anzahl von Beleuchtungsvarianten und Bauformen verschiedenster Anbieter konfrontiert. Bei der Auswahl für seine Applikation sollte der Kunde folgende Punkte prüfen, um für sich letztendlich die richtige Beleuchtungsvariante auszuwählen. Wichtige Kriterien sind unter anderem - Helligkeit - Spannungsversorgung - Homogenität - Temperaturmanagement - Betriebsart - Bauform. Im Folgenden sollen diese Kurz untersucht werden: Helligkeit Im Durchlicht sind Hochleistungs-LED-Beleuchtungen mit maximaler Helligkeit und homogener Lichtverteilung für die Aufnahme von kontrastreichen, auswertbaren Bildern notwendig. Eine ideale diffuse Flächenbeleuchtung hat die Abstrahlcharakteristik eines lambertschen Strahlers. Verschiedene Hersteller geben die Helligkeit einer Durchlichtbeleuchtung durch die Leuchtdichte L an. Sie wird direkt auf der Leuchtfläche gemessen. Die Einheit der Leuchtdichte ist cd/m². Diese Angabe ermöglicht dem Kunden einen objektiven Vergleich zwischen gleichfarbigen Beleuchtungen. Je höher die Leuchtdichte einer Beleuchtung ist, umso größer ist die zur Verfügung stehende Lichtleistung. Eine lichtstarke LED-Beleuchtung mit einer Wellenlänge von 630nm (Rot) realisiert mindestens 3000 cd/m². Die benötigte Leuchtdichte einer Beleuchtung kann je nach Anwendungsfall variieren. Spannungsversorgung Bei der Spannungsversorgung ist darauf zu achten, wie die Beleuchtung letztendlich mit Spannung versorgt wird. Man unterscheidet dabei zwischen LED-Beleuchtungen, welche eine hochstabilisierte 12V oder 24V Spannungsversorgung benötigen bzw. Beleuchtungen die bereits einen Spannungsregler im Gehäuse integrieren. Hier bieten gerade integrierte Regler mit einem Weitbereichsspannungseingang, zum Beispiel von 10V bis 30V, den Vorteil, sich leicht in das vorhandene Bildverarbeitungssystem integrieren zu lassen. Dank der Flexibilität des breiten Eingangsspannungsbereiches ist ein zuverlässiges Arbeiten auch bei Spannungsschwankungen oder Spannungsspitzen gewährleistet.

4 Homogenität Eine homogene Beleuchtung ist vor allem bei der Erkennung von Konturen und Fehlern in transparenten Objekten wichtig. Ein wichtiges Kriterium für eine homogene Leuchtfläche ist die Abstrahlcharakteristik der LED. Durch den Einsatz von LED s auf SMD-Technologie wird eine kompakte, individuelle Anordnung der LED auf der Leiterplatte realisiert. Dies ermöglicht eine extrem homogene und lichtstarke Leuchtfläche. Eine homogene LED- Beleuchtung zeichnet sich durch eine konstante Leuchtdichte über die gesamte Leuchtfläche aus, was vom Anwender leicht durch Test zu verifizieren ist. Temperaturmanagement Ein intelligentes Temperaturmanagement mit gezielter thermischer und elektrischer Bedienung der einzelnen LEDs ermöglicht eine lange Lebensdauer im industriellen Umfeld. Die von den LEDs entwickelte Wärme wird über die Leiterplatte an das Beleuchtungsgehäuse aus Aluminium geleitet und großflächig an die Umgebung abgegeben. Durch ein intelligentes Temperaturmanagement kann man die Alterung der LED aufgrund der Wärmeentwicklung zwar nicht verhindern aber wesentlich verzögern und damit die Zuverlässigkeit über einen längeren Zeitraum sichern. Betriebsart Die unterschiedlichsten Prüfszenarien in der industriellen Bildverarbeitung fordern Beleuchtungen in verschiedenen Betriebsarten. Dem Anwender stehen zum Beispiel bei den vicolux -Hochleistungs-LED-Beleuchtungen von Vision & Control die Betriebsarten controlled, hochstabilisiert, power flash und adaptiv zur Verfügung. Bei den so genannten controlled-ausführungen können die Beleuchtungen über einen schnellen, optoisolierten Trigger-Eingang geschaltet werden. Der Anwender kann mittels Steuerspannung über einen optoisolierten Eingang oder mittels Potentiometer die Helligkeit der Beleuchtung an seine Applikation anpassen. Hochstabilisierte Beleuchtungen zeichnen sich durch eine stabile Helligkeit ab der ersten Sekunde des Einschaltmoments unabhängig von der Eigenerwärmung und der Umgebungstemperatur aus. Power-Flash-Beleuchtungen mit Blitzzeiten von 1µs bis 100µs werden bei bewegten Bildern eingesetzt, um die Bewegungsunschärfe zu eliminieren. Die Lichtleistung bei Power-Flash-Beleuchtungen ist in Abhängigkeit von der eingesetzten Wellenlänge 10 bis 30 mal größer als vergleichbare Standardbeleuchtungen.

5 Die individuelle Helligkeitseinstellung jeder einzelnen LED ist mit adaptiven Beleuchtungen möglich. Das individuell konfigurierbare LED-Leuchtfeld wird durch eine integrierte Elektronik angesteuert. In der industriellen Bildverarbeitung werden adaptive Beleuchtungen eingesetzt, um störende Reflexe zu verhindern oder um gezielt bestimmte Bereiche lichttechnisch hervorzuheben. Bauform Je nach Anforderung der zu lösenden Applikation kann der Anwender aus dem vicolux Beleuchtungsprogramm von Vision & Control zwischen diffusen Flächen-, Zeilen- und Linienbeleuchtungen in verschiedenen, standardisierten Leuchtfeldgrößen wählen. Dank des modularen Aufbaus der Durchlichtbeleuchtungen können auch individuelle Ausführungen realisiert werden. Die Beleuchtungen sind in den typischen Wellenlängen im Lichtspektrum von Ultraviolett (395nm) bis Infrarot (950nm) erhältlich. Damit ist gewährleistet, dass genau das Merkmal sichtbar gemacht werden kann, welches letztendlich vom Bildverarbeitungssystem geprüft werden soll. Diffuse Flächenbeleuchtungen ermöglichen die großflächige, homogene Ausleuchtung der zu inspizierenden Objekte. Linienbeleuchtungen (siehe Bild 4) sind dank ihrer extrem kompakten Bauform für das Beleuchten von kleinen Objekten bei engstem Bauraum bestens geeignet. Fokussierte Zeilenbeleuchtungen mit ihrer präzisen Lichtführung sind dabei prädestiniert für Anwendungen mit Zeilenkameras. Bild 4: Die neuen Linienbeleuchtungen von Vision & Control Definierte Befestigungs- und Montagepunkte (siehe Bild 5) an der Beleuchtung sowie eine kompakte und industrietaugliche Konstruktion ermöglichen dem Anwender eine schnelle und sichere Montage. Standardisierte Befestigungs- und Montagemöglichkeiten sollten heute selbstverständlich sein.

6 Bild 5: Definierte M6-Montagebohrungen bei der vicolux -Beleuchtung FDL08 für eine schnelle und sichere Montage. Anwendungsbeispiele Vollständigkeitskontrolle in der Lebensmittelindustrie Ein typisches Beispiel für die Anwendung des Beleuchtungskonzeptes Durchlicht ist die Vollständigkeitskontrolle sowie die Konturen- und Silhouettenerkennung. In einem Betrieb der Lebensmittelindustrie müssen Lutscher nach der Herstellung auf folgende Merkmale überprüft werden: Vollständigkeit: das heißt, ob im transparenten Stiel die geforderte Anzahl von Dragees enthalten ist. Vorhandensein von Abplatzern, Rissen oder Lufteinschlüssen, wodurch es beim Lutschen zu Verletzungen kommen kann. Die Lutscher, welche nicht den hohen Qualitätsstandard entsprechen, müssen erkannt und aussortiert werden. Auf Grund der hohen Taktzeiten von mehr als 10 Lutschern pro Sekunde ist keine manuelle Kontrolle mehr möglich. Gleichzeitig sind bei der Lösung der Aufgabe die besonderen Anforderungen der Lebensmittelindustrie zu berücksichtigen. Alle Geräte müssen in Edelstahl ohne scharfe Kanten und Vertiefungen ausgeführt sein und den Schutzgrad IP67 aufweisen (siehe Bild 6, für die Aufnahme wurden die Abdeckungen von Kamera und Beleuchtung entfernt). Bild 6: Vollständigkeitskontrolle sowie Konturen- und Silhouettenerkennung bei der Herstellung von Lutschern. Die Einhausung von Kamera und Beleuchtung wurden entfernt.

7 Die Umsetzung der geforderten Prüfungen erfolgt durch zwei Systeme mit jeweils einer intelligenten Kamera pictor, einer vicolux Infrarot-Durchlichtbeleuchtung FDL08 mit einer Diagonalen von 8 Zoll und einem Objektiv mit der Brennweite 25 mm. Auf Grund der Anforderungen (Erkennung von Abplatzern, Rissen und Lufteinschlüssen) und dem starken Fremdlicht (kann durch Einhausung nicht vermieden werden) wurde eine Wellenlänge im nicht sichtbaren Infrarotbereich gewählt. Um trotz schneller Taktzeit das Objekt (den Lutscher) frei von Bewegungsunschärfe abzubilden, wurde eine Power- Flash Beleuchtung mit 20 µs Blitzzeit eingesetzt. Diese Blitzbeleuchtung ermöglicht eine Blitzfrequenz von bis zu 100 Hz. Die FDL08 besitzt einen optoisolierten TTL-Trigger-Eingang, über welchen die Beleuchtung direkt von der Kamera angesteuert wird. Das erste der beiden Bildverarbeitungssysteme überprüft, ob im Inneren des Stiels zwei Dragees, Abplatzer, Risse oder Lufteinschlüsse enthalten sind, der Stiel richtig in den Lutschern eingefügt wurde und ob die Kappe vorhanden ist. Das zweite Kamerasystem überprüft den Stiel auf Risse und ob dieser von der Zuführeinrichtung nicht abgebrochen wurde. Über die RS232-Schnittstelle der intelligenten Kamera pictor gelangen die Ergebnisse an ein übergeordnetes Steuersystem. Montagesteuerung von Thermometerskalen Flüssigkeitsthermometer werden noch immer in Millionen Stückzahlen hergestellt. Der Herstellungsvorgang ist dabei weitgehend automatisiert. Beim Einführen der Skala in den Thermometer-Glaskörper ist ein Montagefehler möglich. Die Skala kann in zwei verschiedenen Lagen eingebracht werden, jedoch ist nur eine die richtige Position (siehe Bild 7). Da sich der Fehler produktionsbedingt nicht vermeiden lässt, muss eine optische Prüfung erfolgen. Liegt eine Skala vor dem Glasröhrchen, wird diese herausgenommen und erneut eingeführt. Bild 7: Axialer Querschnitt von oben auf das Thermometer - Die schwarze Linie zeigt die richtige Lage der Skala im Thermometer.

8 Bei dieser Applikation (siehe Bild 8) befindet sich eine kompakte Hochleistungs-LED-Beleuchtung FDL4646 unter dem Thermometer. Von Oben prüft ein telezentrisches vicotar Präzisionsobjektiv axial das noch nicht zugeschmolzene Thermometer. Die Kombination aus dem diffusen Durchlicht und den parallelen Strahlengang des vicotar Objektivs ermöglicht eine kontrastreiche Abbildung des Glasröhrchens. Die Aufnahme und Auswertung der Position von Skala und Glasröhrchen wird durch die intelligente Kamera pictor realisiert. Bild 8: Prüfaufbau zur Überprüfung von Thermometerskalen Fazit Die Performance von Bildverarbeitungssystemen wird entscheidend von der Gestaltung der Lichtführung beeinflusst. Die Auswahl der richtigen Beleuchtungskomponente bestimmt dabei wesentlich die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Um unterschiedlichste Aufgaben im Durchlicht zu realisieren, bietet Vision & Control dem Anwender ein breites Portfolio an vicolux Hochleistungs-LED- Beleuchtungen für nahezu unbegrenzte Kombinationsmöglichkeiten und Beleuchtungsszenarien in verschiedensten Bauformen, Wellenlängen und Funktionalitäten. vicolux Beleuchtungen zeichnen sich aus durch mechanisch und elektrisch robuste Ausführungen (stabiles Aluminiumgehäuse und integriertem Controller mit Weitbereichsspannungseingang), präzise Lichtführung, zuverlässigen Betrieb im industriellen Einsatz und langer Lebensdauer aus. Alle Beleuchtungen sind EMV-geprüft und CE-zertifiziert. Autor: Alexander Schmidt Position: Produktmanager Beleuchtung/Optik Firma: Vision & Control GmbH Tel.: +49 (0)3681/ Fax.: +49 (0)3681/