Fachartikel. Glänzend im Licht

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1 Vision & Control GmbH Mittelbergstraße Suhl. Germany Telefon: / Telefax: / Fachartikel Glänzend im Licht Dass die Beleuchtung einen wesentlichen Bestandteil einer Bildverarbeitungslösung darstellt, ist hinreichend bekannt. Jedoch erkennt man den wirklichen Stellenwert erst dann, wenn man sich z. B. mit der Qualitätskontrolle von glänzenden, stark reflektierenden bzw. spiegelnden Objekten auseinander setzen muss. An diesem Punkt trennt sich die Spreu vom Weizen. Innovative Konzepte und ausgefeilte Konstruktionen sind gefragt, um eine möglichst präzise Lichtführung zu erhalten. Durch den Slogan Pioneering vision verpflichtet sich Vision & Control wichtige Meilensteine in der industriellen Bildverarbeitung zu setzen. Das innovative Design der neuen koaxial eingespiegelten Beleuchtungen ist speziell für glänzende Oberflächen und stark reflektierende Objekte konzipiert. Aufbau und Funktion Die koaxial eingespiegelten Beleuchtungen gehören zu dem Beleuchtungskonzept Auflicht. D. h., die Beleuchtung liegt im Halbraum vor dem Objekt, in dem sich auch die Abbildungsoptik befindet (siehe Bild 1).

2 Bild 1: Beim Beleuchtungskonzept Auflicht befindet sich die Beleuchtung vor dem Prüfobjekt. Das Licht einer diffusen Leuchtfläche wird über einen halbdurchlässigen Spiegel direkt in den Strahlengang des Objektivs geleitet. Die Beleuchtungsachse und die optische Achse von Objektiv und Kamera sind identisch. Das gesamte Bildfeld der Kamera und somit auch das Prüfobjekt werden homogen ausgeleuchtet. Die Einspiegelung der Lichtstrahlen kann innerhalb des Objektivs oder direkt vor dem Objektiv erfolgen. Die Anordnung der Beleuchtungseinspiegelung vor der Abbildungsoptik hat den Vorteil, dass bei Bedarf eine schnelle Montage anderer Beleuchtungsarten, wie z.b. koaxiale oder radiale Ringbeleuchtungen, direkt an der Einspiegelung über Montagebohrungen bzw. -adapter möglich ist. Vorteile und Anwendungsgebiete Bei koaxialen Ringbeleuchtungen, auch mit diffuser Lichtführung, hat das Bildfeld in Abhängigkeit des Beleuchtungsdurchmessers einen Ort maximaler Helligkeit. Der Helligkeitsverlauf ist nicht konstant. Hingegen erzielt eine koaxial eingespiegelte Beleuchtung ein homogenes Leuchtfeld mit gleich bleibender Helligkeit (siehe Bild 2). Vor allem in den Bereichen Automotive, Pharmazie, Lebensmittel-, Verpackungs- und Solarindustrie bei der Überprüfung von glänzenden bzw. stark reflektierenden Prüfobjekten finden diese Beleuchtungseinspiegelungen Verwendung.

3 Bild 2: Inspektion der Prägung auf einem Sicherheitsschlüssel mit stark reflektierender Oberfläche. In der linken Aufnahme sind die LEDs der koaxialen Ringbeleuchtung deutlich zu erkennen. Mit der eingespiegelten Beleuchtung wird eine gleichmäßige Ausleuchtung der Schlüsseloberfläche gewährleistet (rechtes Bild). Modularität ermöglicht Einsatz unter engsten Einbaubedingungen In der Regel sind koaxial eingespiegelte Beleuchtungen fest mit einer optischen Einheit zur Einspiegelung des Lichtes verbunden. In den Maschinen mit beschränktem Bauraum können diese Beleuchtungssysteme aufgrund der mangelnden Flexibilität nur mit erhöhtem Mehraufwand integriert werden. Neue Generationen von koaxialen Beleuchtungen sind jedoch modular aufgebaut. Sie besitzen als Grundkörper den so genannten Teilerwürfel. Diese optische Baugruppe vereint die Achse von Objektiv und Kamera mit der Beleuchtungsachse. Dank dem innovativen Design gibt es zwei verschiedene Anordnungsvarianten für die Befestigung des Objektivs mit dem montierten Kamerasystem: Bei der klassischen Variante, der Standardanordnung einer koaxialen Beleuchtung, schaut die Kamera durch den Teilerwürfel hindurch. Das Leuchtfeld ist seitlich an der Teilereinheit befestigt (siehe Bild 3).

4 Bild 3: Die klassische Anordnung einer koaxial eingespiegelten Beleuchtung für das Vermessen von glänzenden Teilen. Die Beleuchtung wird seitlich in den Strahlengang von dem Objektiv mit Kamera eingespiegelt. Die Lichtstrahlen werden von der Seite in den Strahlengang der Optik eingespiegelt. In Abhängigkeit der Applikation ist der Bauraum für die Montage des Objektivs und der Kamera sehr beschränkt. Dies erschwert bzw. macht die Integration des Machine Vision Systems in die Maschine unmöglich. Hier schafft der modulare Aufbau Abhilfe. Entgegen der klassischen Variante ermöglicht das neuartige Design die Position von Beleuchtung und Kamera-Optik-Baugruppe zu tauschen. D.h. die Lichtstrahlen gehen senkrecht von oben durch den Teilerwürfel und treffen direkt ohne Umlenkung auf das Prüfobjekt (siehe Bild 4).

5 Bild 4: Dank dem innovativen Design kann der Strahlengang von dem Objektiv und Kamera in die Lichtstrahlen gespiegelt werden. Dies ermöglicht den Einsatz auch unter schwierigsten Einbaubedingungen. Seitlich an der Teilergruppe befindet sich das Objektiv mit Kamera. Das Kamerasystem ist waagerecht gegenüber der Objektebene angeordnet und die Blickrichtung wird um 90 direkt auf das zu überprüfende Objekt umgelenkt. Durch vorhandene Adapter kann der Anwender Beleuchtung und Objektiv direkt am Teilerwürfel montieren. Dabei kann er bestimmen, ob die Lichtstrahlen oder der optische Strahlengang eingespiegelt werden, je nachdem, in welcher Richtung innerhalb der Maschine noch Raum für die Montage von der Kamera-Optik-Baugruppe zur Verfügung steht. Zusätzlich kann der Anwender an dem Teilerwürfel durch die Adapter zwei Objektive miteinander kombinieren, so dass auf dasselbe Prüfobjekt gleichzeitig zwei Kamerasysteme schauen (Bild 5). Vorteilhaft ist dies, wenn zwei unterschiedlich große Details am selben Objekt genau zu überprüfen bzw. zu vermessen sind. Applikationsbeispiel: Bestimmung des Durchmessers einer runden Metallscheibe und gleichzeitiges Lesen des zentral, sehr fein aufgeprägten Textes mittels Machine Vision Systeme.

6 Bild 5: Durch den Strahlenteiler können zwei von einander unabhängige Bildverarbeitungssysteme, welche unterschiedliche Vergrößerungen besitzen, gleichzeitig das Prüfobjekt inspizieren bzw. vermessen. Flexibilität ermöglicht universellen Einsatz Auf Grund der Vielfalt an Oberflächeneigenschaften der unterschiedlichen Prüfobjekte und der Komplexität an Prüfmerkmalen ist es notwendig, dass die koaxialen Beleuchtungen in einem breiten Wellenlängenspektrum von Ultraviolett bis Infrarot zur Verfügung stehen. Nur so ist gewährleistet, dass entsprechende Fehler bzw. Merkmale kontrastreich aufnehmbar und somit auch auswertbar sind. Bei der Oberflächeninspektion von glänzenden, metallischen Teilen wird z. B. vorwiegend kurzwelliges Licht (blau) genutzt, um Oberflächenbeschädigungen festzustellen.

7 Die Produktion der Industriegüter einer Bauart kann in unterschiedlichen Farben erfolgen. Um ein kontrastreiches Bild beim Farbwechsel eines Produktes zu erlangen, ist ein Wechsel der Beleuchtungswellenlänge unabdingbar. Das modulare System bietet hier dem Anwender den Vorteil, dass nur das Leuchtfeld und nicht die gesamte koaxiale Beleuchtungseinspiegelung auszuwechseln ist. Dies optimiert die Lagerkosten. Gleichzeitig entfällt auch die Einrichtzeit für die Justage der Einspiegelung gegenüber dem Gesamtsystem, wodurch man die kostenintensive Rüstzeit beim Produktionswechsel minimiert. Industrietaugliches Design ein Muss, jedoch längst kein Standard am Markt. Besonders im rauen Alltag des Produktionsprozesses ist ein industrietaugliches, lüfterloses Beleuchtungsdesign unerlässlich. Auf Grund der Fertigungsprozesse können z. B. die Metallspäne während eines Fräsvorganges die Beleuchtung verunreinigen. Eine nicht korrekte Funktion des Machine Vision Systems auf Grund der Fehlantastungen von den Schmutzpartikeln ist die Folge. Es können sogar Fremdkörper in die Beleuchtungseinheit eindringen und diese zerstören. Aus diesem Grund ist der Schutzgrad IP50 für den Einsatz im industriellen Umfeld unerlässlich. Gerade bei sehr schwierigen Umgebungsbedingungen, z. B. bei mit Öl oder Bohremulsion versetzter Luft, ist eine optional höhere Schutzklasse für den Anwender unabdingbar. Ein innovatives Temperaturmanagement mit systematischer thermischer und elektrischer Bedienung der LED-Leuchtflächen realisiert eine lange Lebensdauer im industriellen Umfeld. Die einzelnen LEDs entwickeln Wärme, welche über die Leiterplatte an das Beleuchtungsgehäuse aus Aluminium geleitet und großflächig an die Umgebung abgegeben wird. Durch ein intelligentes Temperaturmanagement kann man die Alterung der LED auf Grund der Wärmeentwicklung zwar nicht verhindern, aber erheblich verlangsamen und damit die Zuverlässigkeit über einen längeren Zeitraum sichern. Fazit Mit dem neuen koaxialen Beleuchtungsserien stellt Vision & Control eine neue Generation von LED-Beleuchtungen vor, welche universell in Kombination mit Objektiv und Kamera einsetzbar ist. Dem Anwender stehen für Aufgaben im Auflicht ein breites Portfolio an eingespiegelten vicolux Hochleistungs-LED-Beleuchtungen für nahezu unbegrenzte Kombinationsmöglichkeiten und Beleuchtungsszenarien in verschiedensten Bauformen, Wellenlängen und Funktionalitäten zur Verfügung. Vision & Control stellt sich diesen Herausforderungen seit vielen Jahren und entwickelt, produziert und vertreibt als Technologieführer weltweit ein optimal abgestimmtes, modulares Baukastensystem von komplexen Bildverarbeitungssystemen wie Vision Sensoren, Intelligenten Kameras und Mehrkamerasystemen bis hin zu individuellen Hochleistungs-LED- Beleuchtungen und Präzisions-Optiken.

8 Autor: Alexander Schmidt Position: Produkt Manager Beleuchtung/Optik Firma: Vision & Control GmbH Tel.: +49 (0)3681/ Fax: +49 (0)3681/