Maschinelles Sehen in Maschinenbau und Automatisierungstechnik

Transkript

1 Einsteigerseminare Maschinelles Sehen in Maschinenbau und Automatisierungstechnik Inspektion von glänzenden Teilen und Glas Referent: Dr.-Ing. Peter-Michael Merbach Dr. Merbach Optischer Gerätebau Zella-Mehlis Vision Academy GmbH Konrad-Zuse-Str. 15 D Erfurt / Germany Tel. +49(0)361 / Fax -189 infopoint@vision-academy.org

2 Inhalt Referent und Unternehmen Motivation (Typische Aufgaben an glänzenden durchsichtigen Teilen) Besonderheiten von glänzenden und durchsichtigen Objekten Beleuchtung von glänzenden Objekten Die Beleuchtungsarten Was ist die Beleuchtungsapertur? Beleuchtung durchsichtiger Objekte Beispiele aus der Praxis Zusammenfassung 2

3 Referent und Unternehmen Dr. Merbach, Optischer Gerätebau Talstr Zella-Mehlis Tel / Fax 03682/ Optische Baugruppen und Komponenten nach Kundenwunsch 3

4 Motivation optisch zu prüfende Industrieprodukte sind vielfältig besonders interessant sind Teile mit starken Wechselwirkungen mit Licht Glänzend Metalle, Kunststoffe Maschinenelemente, Elektronikbauteile, Rohre, Bleche, Formteile, Glänzend und durchsichtig Glas, Kunststoffe Flaschen, Linsen, Lichtleiter, Rohre, Folien, Platten, Formteile, Verfahren der Industriellen Bildverarbeitung und Machine Vision reagieren empfindlich auf (störende) Reflexe, Lichtflecken, Inhomogenitäten, Glanzlichter, hot spots, kontrastreiche Bilder sind Grundlage für erfolgreiche, sichere und genaue Auswertung durch das Bildverarbeitungssystem. 2/3 des Know-Hows der BV-Lösung sind Beleuchtung. 4

5 Typische Prüfaufgaben an glänzenden und durchsichtigen Teilen maßliches Prüfen (Messen) nichtmaßliches Prüfen (Lehren) Längen, Breiten, Höhen, Abstände, Winkel, Orientierungen Größen Formen, Konturen Farben Helligkeiten... Lage- / Drehlageerkennung Vollständigkeits- / Anwesenheitskontrolle Grad der Ausprägung Zeichenerkennung / Schrift lesen Objekterkennung / Teileidentifikation Codeerkennung Oberflächeninspektion 5

6 Beleuchtung glänzender Objekte Durchlichtbeleuchtung ohne Objekt gelangen alle Beleuchtungsstrahlen in das Objektiv: Gesichtsfeld ist gleichmäßig hell. flache Objekte (Stanzteil, Wabenfolie) liefern im diffusen Durchlicht gute Ergebnisse 6

7 Beleuchtung glänzender Objekte Durchlichtbeleuchtung räumliche Objekte (Drehteil, Bolzen) im diffusen Durchlicht kritisch 7

8 Beleuchtung glänzender Objekte Auflichtbeleuchtung diffus reflektierendes Objekt: keine besonderen Anforderungen an Beleuchtung glänzendes Objekt: oft entsteht - ungewollt Dunkelfeldbeleuchtung Beispiel: Wabenfolie im Auflicht Einseitiges Auflicht erzeugt durch Dunkelfeldeffekt unvollständig ausgeleuchtete Bilder. 8

9 Beleuchtung glänzender Objekte Auflichtbeleuchtung glänzendes Objekt mit Fehler (Kratzer) einseitige Beleuchtung führt zu Dunkelfeldeffekt Dunkelfeld entsteht, wenn Licht unter flachem Winkel auftrifft und senkrecht betrachtet wird nur Merkmale sichtbar, die quer zur Beleuchtungsrichtung liegen Vergleich zur visuellen Kontrolle: Betrachter kippt das Objekt und nutzt dabei sich spiegelnde Lichtquellen (z. B. Fenster) Hellfeldeffekt 9

10 Beleuchtung glänzender Objekte Auflichtbeleuchtung Hellfeld entsteht, wenn Licht der Beleuchtung über die zu prüfende Oberfläche in das Objektiv gespiegelt wird Beispiel: Hellfeldbeleuchtung durch Kippung Einhalten der Winkelverhältnisse für Reflexion nötig Beispiel: Hellfeldbeleuchtung durch Einspiegelung Licht kommt aus der Kamera. Objekt muss senkrecht zur optischen Achse angeordnet sein. 10

11 Beleuchtung glänzender Objekte Auflichtbeleuchtung Vergleich Hellfeld / Dunkelfeld Hellfeld-Ringlicht: Höhe und Größe der Beleuchtung entscheiden über die ausgeleuchtete Fläche Dunkelfeldringlicht: Beleuchtung muss nahe am Objekt angebracht werden und muss radial nach innen leuchten. 11

12 Beleuchtung glänzender Objekte Ringlichter für Dunkel- und Hellfeld 12

13 Beleuchtung glänzender Objekte Hellfeld durch Flächenlicht mit Kameradurchblick 13

14 Beleuchtung glänzender Objekte Auflichtbeleuchtung Vergleich Hellfeld / Dunkelfeld a) b) Beispiel: Inbusschraube a) Hellfeld - Ringlicht ist an der Kamera befestigt b) Dunkelfeld - Ringlicht liegt direkt über dem Objekt Beispiel: Kunststoffteil mit erhabener Schrift a) Dunkelfeld-Ringlicht gewährleistet vollständige Ausleuchtung der Buchstaben unabhängig von ihrer Richtung Beispiel: Wabenfolie b) Dunkelfeld-Ringlicht lässt Wabe vollständig erscheinen. 14

15 Beleuchtung glänzender Objekte Auflichtbeleuchtung a) b) Beispiel: a) Wabenfolie im koaxialen Auflicht (Hellfeld) Nur die Bereiche sind sichtbar, die senkrecht zur optischen Achse ausgerichtet sind. b) Kombination mit Durchlicht: vollständige Wabe wird sichtbar Rolle einer gleichmäßigen Beleuchtung: a) ungleichmäßige, strukturierte Lichtquelle: Bild der Lichtquelle entsteht als Spiegelbild auf der Objektoberfläche. b) gleichmäßig strukturierte Lichtquelle: Nur die Struktur des Objektes wird sichtbar. 15

16 Funktion der Beleuchtungsapertur Abbildungs- und Beleuchtungsapertur Der Rand der Lichtquelle erscheint, von dem Objekt- punkt auf der optischen Achse aus gesehen, unter dem Aperturwinkel u. Je größer die Beleuchtungsapertur, umso mehr reflektierte Strahlen gelangen in das Objektiv. im diffusen Strahlbündel wird der Aperturwinkel durch die am meisten geneigten Strahlen gebildet. 16

17 Funktion der Beleuchtungsapertur Apertur bestimmt Kontrastverhältnisse a) Hellfeld mit sehr kleiner Apertur b) Hellfeld, größere Apertur c) Hellfeld, maximale Apertur a) b) c) 17

18 Funktion der Beleuchtungsapertur Apertur bestimmt Kontrastverhältnisse maximal möglichen Apertur: Licht aus allen Richtungen technische Realisierung: Cloudy Day-Beleuchtung Beispiel: Kugelkopf mit Cloudy-Day-Beleuchtung glänzende Kugeln sind nur mit sehr großer Apertur zu beleuchten. 18

19 Funktion der Beleuchtungsapertur Apertur bestimmt Kontrastverhältnisse glänzendes Objekt im diffusen Durchlicht (große Apertur) Diffuses Durchlicht enthält Strahlen, die nicht direkt in das Objektiv gelangen (Dunkelfeldanteile). Diese spiegeln sich im glänzenden Objekt und können dessen Kanten scheinbar nach innen verschieben (Fehlmessung). Sehr ungünstig beleuchtetes glänzendes Objekt. 19

20 Beleuchtung durchsichtiger Objekte Strahlbeeinflussung bei durchsichtigen Objekten durchsichtige Objekte besitzen Grenzflächen mit Brechzahländerung gegenüber der Umgebung. Ablenkung von Licht (Reflexion und Brechung) teilweise Absorption im Innern transparentes Objekt im Durchlicht Fotonegative gut im diffusen Durchlicht sichtbar 20

21 Beleuchtung durchsichtiger Objekte Strahlbeeinflussung bei durchsichtigen Objekten teilweise Undurchsichtigkeit bei gerichteter Beleuchtung im Hellfeld Glasstäbe und Rohre wirken wie Sammel- bzw. Zerstreuungslinsen a) Glasstab im Hellfeld bei kleiner Apertur Glasstäbe im gerichteten Durchlicht erscheinen undurchsichtig b) Glasstab im diffusen Hellfeld (sehr große Apertur) im diffusen Durchlicht kann man in Glasstäbe hineinsehen a) b) 21

22 Beleuchtung durchsichtiger Objekte Strahlbeeinflussung bei durchsichtigen Objekten Beispiel: Glühlampe mit Innenleben Lampenkolben wirkt als Zerstreuungslinse. Entwirft ein verkleinertes Bild der Lichtquelle. große Beleuchtungsapertur erforderlich Beispiel: Brillenglas mit Einschliff, mittlere Apertur Durch Wahl einer günstigen Apertur lassen sich die gewünschten Merkmale sichtbar machen. 22

23 Beleuchtung durchsichtiger Objekte Strahlbeeinflussung bei durchsichtigen Objekten Beispiel: Glasplatte mit Fase Durchlicht Hellfeld, diffus (sehr große Apertur). Diffuses Durchlicht: Kontrast gering. Kratzer auf Glasoberfläche kaum sichtbar. Durchlicht Hellfeld, gerichtet (mittlere Apertur). Verkleinerung Apertur: Kontrast steigt, Kratzer wird deutlicher 23

24 Beleuchtung durchsichtiger Objekte Strahlbeeinflussung bei durchsichtigen Objekten Beispiel: Glasplatte mit Fase Durchlicht Hellfeld, stark gerichtet (kleine Apertur) Kleine Apertur Durchlicht: großer Kontrast. Auch Oberflächenverschmutzungen sind sichtbar. Durchlicht Dunkelfeld Objekt selbst ist unsichtbar. Nur Kratzer streuen das Licht und erscheinen hell. 24

25 Beleuchtung durchsichtiger Objekte Strahlbeeinflussung bei durchsichtigen Objekten Beispiel: Glasplatte mit Fase Auflicht Dunkelfeld Wirkung ähnlich wie Durchlicht Dunkelfeld. Zusätzlich sind auch Staubteilchen auf der Oberfläche zu sehen. Auflicht Dunkelfeld, sehr flache Einstrahlung Apertur des Auflicht-Dunkelfelds sehr groß nur Staubpartikel sichtbar. Licht kann nicht mehr in Glas eindringen, Kratzer verschwinden 25

26 Beleuchtung durchsichtiger Objekte Strahlbeeinflussung bei durchsichtigen Objekten Beispiel: Glasplatte mit Fase Auflicht Hellfeld (sehr kleine Apertur) Licht dringt nicht in das Glas ein. Nur Oberflächenbeschaffenheit wird sichtbar- 26

27 Zusammenfassung Menschliches Sehen ist nicht gleich maschinelles Sehen: Das sehe ich doch! glänzende und durchsichtige Objekte sind eine Herausforderung an die Beleuchtungstechnik Es gibt keine universelle Beleuchtung für alle Prüfaufgaben Die richtige Beleuchtung ist entscheidend für die exakte Darstellung, der relevanten Merkmale 27

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? und weiterhin gute Erleuchtung bei Lösung Ihrer Beleuchtungsaufgaben Besuchen Sie uns auch in der Vision Academy - Exhibitor-Lounge, Halle 6, Stand E32! 28