Warum ist die Beleuchtungstechnik im Bereich Machine Vision so wichtig?
Im Bereich Machine Vision ist die Beleuchtung eine grundlegende Komponente zur Erzeugung von Kontrast für eine effiziente Bildverarbeitung. Ohne Licht kann eine Kamera die zu untersuchenden Objekte nicht „sehen“. Die richtige LED-Beleuchtung erzeugt einen Schwarz-Weiß-Kontrast, der es ermöglicht, ein Bild mit hoher Geschwindigkeit zu verarbeiten. Auch die Helligkeit der Beleuchtung spielt in der industriellen Bildverarbeitung eine entscheidende Rolle. Mit einer höheren Lichtintensität wird die Bildverarbeitung stabiler und reproduzierbarer.
Mehr Leistung …
• … ermöglicht eine Reduzierung der Belichtungszeit, sodass Bewegungsunschärfen eliminiert und der Einfluss von Fremdlicht begrenzt wird.
• … ermöglicht eine stärker geschlossene Blende und führt so zu einer größeren Schärfentiefe.
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Was ist Licht?
Die Beleuchtungstechnik gibt Licht in verschiedenen Wellenlängen mit unterschiedlicher Intensität aus. Die von der Sonne abgegebene Strahlung umfasst ein breites Spektrum an Wellenlängen, von ultraviolettem Licht bis hin zu Infrarotlicht. Die Beleuchtung in der industriellen Bildverarbeitung deckt verschiedene Wellenlängen ab, die sich hauptsächlich im sichtbaren Spektrum bewegen.
Wie in der Grafik erkennbar, kann der Spitzenwert einer Rotlichtbeleuchtung bei etwa 630 nm liegen. Das von einer LED emittierte Rotlicht hat ein breites Spektrum, bei dem die Intensität über das Spektrum hinweg vom Spitzenwert abfällt.
Das menschliche Auge reagiert besonders empfindlich auf Farbabweichungen. Zwei Produkte mit derselben Farbe können für die Augen einer Person unterschiedlich aussehen. Die Auswahl der LEDs für die Beleuchtungsprodukte erfolgt nach strengen Kriterien, sodass sichergestellt wird, dass die maximale Abweichung der Spitzenwellenlänge unter 10°nm liegt. Der Bildchip einer Kamera oder eines Barcodescanners weist unterschiedliche Empfindlichkeiten für verschiedene Wellenlängenbereiche auf, die in den jeweiligen Bedienungsanleitungen angegeben sind. Für optimale Helligkeitsbedingungen müssen sowohl die Empfindlichkeit des Bildchips als auch die Lichtart aufeinander abgestimmt sein. Um Fremdlicht zu vermeiden, können externe Sperrfilter verwendet werden. Bei einigen Kameras ist bereits ein Filter installiert.
Das menschliche Auge reagiert besonders empfindlich auf Farbabweichungen. Zwei Produkte mit derselben Farbe können für die Augen einer Person unterschiedlich aussehen. Die Auswahl der LEDs für die Beleuchtungsprodukte erfolgt nach strengen Kriterien, sodass sichergestellt wird, dass die maximale Abweichung der Spitzenwellenlänge unter 10°nm liegt. Der Bildchip einer Kamera oder eines Barcodescanners weist unterschiedliche Empfindlichkeiten für verschiedene Wellenlängenbereiche auf, die in den jeweiligen Bedienungsanleitungen angegeben sind. Für optimale Helligkeitsbedingungen müssen sowohl die Empfindlichkeit des Bildchips als auch die Lichtart aufeinander abgestimmt sein. Um Fremdlicht zu vermeiden, können externe Sperrfilter verwendet werden. Bei einigen Kameras ist bereits ein Filter installiert.
Was ist bei der Wahl der richtigen Beleuchtungsfarbe entscheidend?
Die industrielle Farbbildverarbeitung ermöglicht die Erkennung von Farbunterschieden ähnlich wie beim menschlichen Auge. Diese Unterschiede können mit der 256-stufigen Grauskala von Monochrom-Kameras nicht erfasst werden. Die Verarbeitungszeiten verlängern sich daher bei der Verwendung von Farbkameras aufgrund der großen Informationsmenge leicht.
In Kombination mit Monochrom-Kameras ist die Verwendung von farbigen Lichtquellen jedoch entscheidend, um die gewünschten Grauwerte bestimmter Merkmale zu definieren und so einen Kontrast zu erzeugen. So werden beispielsweise rote und benachbarte grüne Objekte im aufgenommenen Bild in unterschiedlichen Grautönen dargestellt. Ein guter Kontrast kann hingegen erzielt werden, wenn die Hintergrundfarbe in der Komplementärfarbe des beleuchteten Objekts gewählt wird. Dies erhöht die Stabilität des industriellen Bildverarbeitungssystems.
In Kombination mit Monochrom-Kameras ist die Verwendung von farbigen Lichtquellen jedoch entscheidend, um die gewünschten Grauwerte bestimmter Merkmale zu definieren und so einen Kontrast zu erzeugen. So werden beispielsweise rote und benachbarte grüne Objekte im aufgenommenen Bild in unterschiedlichen Grautönen dargestellt. Ein guter Kontrast kann hingegen erzielt werden, wenn die Hintergrundfarbe in der Komplementärfarbe des beleuchteten Objekts gewählt wird. Dies erhöht die Stabilität des industriellen Bildverarbeitungssystems.
Sichtbares Licht zeichnet sich dadurch aus, dass sich seine Strahlung in einem Wellenlängenspektrum zwischen 380 nm (violett) und etwa 780 nm (rot) bewegt. Bei einer Monochrom-Kamera in Kombination mit Rotlicht erscheint beispielsweise ein rotes Teil weiß für die Kamera, während ein blaues Teil schwarz erscheint.
Farbkamera mit Weißlicht
Monochrom-Kamera mit Rotlicht
Monochrom-Kamera mit Blaulicht
Monochrom-Kamera mit Grünlicht
Infrarotlicht ist unsichtbares Licht mit einer Wellenlänge von mehr als 780 nm. Es kann beispielsweise eingesetzt werden, um zu vermeiden, dass Bedienerinnen und Bediener an Anlagen starkem Licht ausgesetzt werden. Infrarotlicht eignet sich am besten zur Beleuchtung von Kunststoffteilen, ist jedoch nicht für Metallteile geeignet. Bei der Beleuchtung von schwarzen Objekten sind Tests erforderlich.
In diesem Beispiel werden Kunststoffobjekte in verschiedenen Farben untersucht. Objekte, die mit Infrarotlicht angestrahlt werden, erscheinen im aufgenommenem Bild weiß, wenn das Licht das Material durchdringt und nicht von diesem reflektiert wird. Eine Infrarot-Hintergrundbeleuchtung kann sogar Objekte durch ein undurchsichtiges Förderband hindurch beleuchten.
In diesem Beispiel werden Kunststoffobjekte in verschiedenen Farben untersucht. Objekte, die mit Infrarotlicht angestrahlt werden, erscheinen im aufgenommenem Bild weiß, wenn das Licht das Material durchdringt und nicht von diesem reflektiert wird. Eine Infrarot-Hintergrundbeleuchtung kann sogar Objekte durch ein undurchsichtiges Förderband hindurch beleuchten.
Farbkamera mit Weißlicht
Monochrom-Kamera mit Weißlicht
Monochrom-Kamera mit Infrarotlicht
Ultraviolettes Licht (UV) ist unsichtbares Licht mit Wellenlängen von unter etwa 380 nm. Gewisse Materialien reagieren bei Beleuchtung mit UV-Licht und geben sichtbares Licht ab, das wiederum durch eine Kamera erfasst werden kann (Fluoreszenz). Deshalb ist es notwendig, einen Bandpassfilter auf die Optik der Kamera aufzusetzen, um sicherzustellen, dass nur das durch Fluoreszenz entstandene Licht des Objekts auf den Bildchip trifft. Das die Fluoreszenz erzeugende UV-Licht wird nicht durchgelassen.
Ohne UV-Licht
Mit UV-Licht
Welche Wirkung hat ein Polarisationsfilter?
Ein Polarisationsfilter ist ein Zubehörteil für Beleuchtungen und Kameras, das den Kontrast verbessert, indem es Blendwirkungen und unerwünschte Reflexionen reduziert. Er wird hauptsächlich für Anwendungen mit glänzenden oder transparenten Materialien verwendet. Die Vorteile der Polarisation können durch die Verwendung einer linearen Polarisationsfolie auf der Beleuchtung in Kombination mit einem Polarisationsfilter auf der Kamera erzielt werden.
Ohne Polarisationsfilter
Mit Polarisationsfilter
Was ist UV-Licht?
Ultraviolettes (UV) Licht ist elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im Spektralbereich von 280 bis 400 nm, welche für das menschliche Auge unsichtbar ist. Bei der Kombination von UV-Beleuchtung mit einem Lumineszenzstoff (Luminophor) ist das emittierte Licht des Luminophors sichtbar. Dieser Vorgang wird als Fluoreszenz bezeichnet, bei der Licht als Reaktion auf die Anregung durch UV-Licht ausgestrahlt wird.
Fluoreszierende Substanzen, die UV-Strahlung ausgesetzt sind, absorbieren diese und geben sie als sichtbare, längerwellige Strahlung ab, typischerweise in den Farben Blau (470 nm) oder Grün (525 nm). Dieses emittierte Licht kann daraufhin für die optische Inspektion genutzt werden.
Fluoreszierende Substanzen, die UV-Strahlung ausgesetzt sind, absorbieren diese und geben sie als sichtbare, längerwellige Strahlung ab, typischerweise in den Farben Blau (470 nm) oder Grün (525 nm). Dieses emittierte Licht kann daraufhin für die optische Inspektion genutzt werden.
Wie wird UV-Licht verwendet?
Ultraviolettes Licht findet vielfältige Anwendungen in medizinischen, industriellen und kommerziellen Bereichen. Es wird zur Desinfektion, Hygienekontrolle sowie zur Erkennung von Sicherheitstinten und fluoreszierenden, fälschungssicheren Verpackungsmerkmalen eingesetzt. UV-fluoreszierende Sicherheitsmarkierungen dienen der Fälschungsbekämpfung und Authentifizierung von Marken durch 2D-Codes, Strichcodes, alphanumerische Codes, Bilder und Grafiken. Diese Markierungen gewährleisten die Echtheit von Produkten und unterstützen die Rückverfolgbarkeit in der Lieferkette. Die Fluoreszenz von UV-Markierungen ist abhängig von der Art der verwendeten Tinte. Manche Tinten fluoreszieren über ein breites UV-Wellenlängenspektrum, während andere auf spezifischere Wellenlängen reflektieren.
Was passiert, wenn Licht auf eine Oberfläche trifft?
Bei der Installation eines Machine Vision Systems muss berücksichtigt werden, wie die Lichtphotonen reagieren, wenn sie auf eine Oberfläche treffen. Es ist wichtig, zu planen, wie das Licht die Kamera erreicht. Das Licht kann auf fünf typische Arten reagieren: Reflexion, Transmission, Absorption, Fluoreszenz und Diffusion. Oft treten die Effekte jedoch gleichzeitig auf.
Wie reagiert Licht auf verschiedenen Oberflächenbeschaffenheiten?
Lichtreflexion auf einer glänzenden Oberfläche
Wenn Licht auf glänzende Oberflächen trifft, werden die meisten Lichtphotonen im gleichen Winkel reflektiert. Doch selbst ein hochglanzpolierter Spiegel reflektiert nur etwa 95 % des einfallenden Lichts.
Lichtverhalten auf einer Oberfläche zwischen glänzend und matt
Wenn Licht auf Oberflächen trifft, die weder hochglanzpoliert noch extrem rau sind, streuen die meisten Lichtphotonen in vielen verschiedenen Winkeln. Trotz der Streuung folgt der Großteil der Lichtintensität dem reflektierten Einfallswinkel.
Lichtdiffusion auf matten Oberflächen
Wenn Licht auf eine sehr raue oder matte Oberfläche trifft, werden die Lichtphotonen gestreut. Theoretisch reflektiert eine ideale diffuse Oberfläche das Licht in alle möglichen Richtungen. In diesem Fall folgt die höchste Lichtintensität der Senkrechten (90°) zur Oberfläche.
Wie reflektieren verschiedene Oberflächenformen das Licht?
Die Form des zu untersuchenden Objekts ist entscheidend für die Art und Weise, wie das Licht die Kamera erreicht, um einen Kontrast zu erzeugen. In den Diagrammen ist die Lichtleistung vereinfacht dargestellt und es wird angenommen, dass es sich bei der beleuchteten Oberfläche um einen perfekten Spiegel handelt. Die geprüften Einkerbungen sind repräsentativ für einen mit Punktmarkierungen versehenen Code, aber vereinfacht auf eine einzelne Rille.
Die gestrichelten blauen Linien zeigen die Lichtreflexion, die die Kamera erreicht und die auf dem Bild weiß dargestellt wird. Die gestrichelten grauen Linien zeigen das Licht, das die Kamera nicht erreicht, was zu einem Lichtverlust im Sichtfeld führt.
Die gestrichelten blauen Linien zeigen die Lichtreflexion, die die Kamera erreicht und die auf dem Bild weiß dargestellt wird. Die gestrichelten grauen Linien zeigen das Licht, das die Kamera nicht erreicht, was zu einem Lichtverlust im Sichtfeld führt.
Merkmal auf einer flachen Oberfläche
Durch die Platzierung der Kamera im reflektierten Einfallswinkel der Beleuchtung erreichen die meisten Lichtphotonen die Kamera. Einkerbungen verursachen einen Lichtverlust, der dazu führt, dass das Oberflächenmerkmal mit hohem Kontrast dargestellt wird.
Merkmal auf einer gewölbten Oberfläche
Auf einer gewölbten Oberfläche erreichen die meisten Lichtphotonen die Kamera nicht. Daher benötigen Anwendungen mit einer gewölbten Oberfläche normalerweise eine größere Beleuchtung oder eine Beleuchtung, die das Objekt aus vielen Richtungen beleuchtet.
Wie muss die Beleuchtung zur Kamera positioniert werden?
Erweiterte Beleuchtungsvarianten für Spot-Beleuchtungen
In Verbindung mit passenden Objektiven ermöglicht die Spot-Beleuchtung LSL die Umsetzung von zwei weiteren spezialisierten Beleuchtungslösungen, die unterschiedliche Anforderungen an Ausleuchtung und Bildqualität erfüllen.
Hintergrundbeleuchtung mit Telezentrie
Mit telezentrischen Objektiven lässt sich eine spezielle Hintergrundbeleuchtungsmethode realisieren. In Verbindung mit der Spot-Beleuchtung LSLx003 wird das telezentrische Objektiv zu einem leistungsstarken telezentrischen Gegenlicht. Dabei sind zwei telezentrische Objektive zueinander ausgerichtet und das Licht des Gegenlichts exakt entlang der optischen Achse der Kamera positioniert.
Ein typisches Anwendungsbeispiel ist die Prüfung und Messung des Halses von Objekten wie Ampullen oder Vorformlingen.
Diese Beleuchtungsmethode wird vor allem bei präzisen Vermessungen runder oder durchsichtiger Objekte sowie bei Positions- und Anwesenheitskontrollen oder Oberflächeninspektionen eingesetzt. Insbesondere bei lichtdurchlässigen Materialien, wie Glas oder transparentem Kunststoff, verändert das parallele Licht durch das telezentrische Objektiv beim Auftreffen auf das Objekt seine Richtung. Da das telezentrische Objektiv der Kamera ausschließlich paralleles Licht empfängt, gelangt das abgelenkte Licht nicht in die Kamera, wodurch lediglich die Silhouette des durchsichtigen Prüfobjekts sichtbar ist.
Koaxiale Beleuchtung
Die koaxiale Beleuchtung ist ein spezielles Beleuchtungsverfahren, bei dem das Licht axial, also in einer Linie mit der optischen Achse der Kamera, eingekoppelt wird. Über einen halbdurchlässigen Spiegel (Beamsplitter) wird das Licht direkt in das Sichtfeld der Kamera und auf das zu prüfende Objekt gestreut. Das von der Objektoberfläche reflektierte Licht passiert den Beamsplitter erneut und wird so zur Kamera zurückgeführt, die dadurch ausschließlich das gerichtete und zurückreflektierte Licht erfasst.
Zu den Einsatzbereichen zählen die Qualitätskontrolle von Planflächen, die Erkennung feiner Strukturen sowie die Inspektion glänzender Oberflächen wie Metall, Wafer oder Bildsensoren.
Diese Beleuchtungsart ist die einzige Möglichkeit, eine schattenfreie und gleichmäßige Hellfeldbeleuchtung über das gesamte Bildfeld des Objektivs (FOV) zu erzielen.
Wie entsteht eine homogene Ausleuchtung für die Kamera?
Eine gleichmäßige Ausleuchtung ist eine wichtige Voraussetzung für zuverlässige Ergebnisse in der industriellen Bildverarbeitung. In der Praxis zeigt sich jedoch, dass die Lichtverteilung innerhalb eines Sichtfeldes häufig nicht homogen ist. Insbesondere bei Balkenbeleuchtungen können lokale Intensitätsspitzen sowie Helligkeitsunterschiede zwischen zentralen und randnahen Bereichen auftreten.
Um diese Effekte auszugleichen, wird beim Kurveneffekt die Lichtverteilung gezielt angepasst. Dadurch kann die von der Kamera wahrgenommene Helligkeit über das gesamte Sichtfeld hinweg homogenisiert werden.
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1
Wie wird Licht von einer Oberfläche reflektiert?
Trifft Licht auf eine Oberfläche, wird es gemäß einer Lambert’schen Verteilung reflektiert.
Dabei ist die Intensität des reflektierten Lichts abhängig vom Betrachtungswinkel.Das bedeutet, dass nicht alle Bereiche einer Oberfläche gleich hell erscheinen.
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2
Wie verhält sich eine klassische Beleuchtungslösung?
Bei einer Balkenbeleuchtung besteht das Licht aus mehreren einzelnen Lichtquellen, die jeweils dieser Verteilung folgen.
Dadurch entsteht in der Praxis häufig eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung über den gesamten Erfassungsbereich.
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3
Wie wird die Ausleuchtung von der Kamera erfasst?
Die Kamera erfasst die Lichtverteilung entsprechend der reflektierten Intensität.
Dabei kann es zu einer stärkeren Gewichtung zentraler Bereiche kommen, wodurch sogenannte Hotspots im Bild entstehen.
Diese lokalen Überbelichtungen sind mit einem Luxmeter nicht erfassbar und können die Bildauswertung beeinträchtigen.
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4
Wie sorgt der Kurveneffekt für eine gleichmäßige Ausleuchtung?
Beim Kurveneffekt wird die Lichtintensität mithilfe von Angle Changern gezielt angepasst.
Durch die Steuerung der Lichtverteilung kann die von der Kamera wahrgenommene Helligkeit über die gesamte Fläche hinweg ausgeglichen werden.
Dadurch entsteht ein Bild, das eine homogene Ausleuchtung aufweist.
Wie wird der Kurveneffekt konkret umgesetzt?
Zur Erzeugung des Kurveneffekts werden entlang der Beleuchtung unterschiedliche Angle Changer kombiniert. Dabei handelt es sich um spezielle Lichtdiffusoren, die an der Vorderseite von Balkenbeleuchtungen angebracht werden und die Abstrahlwinkel gezielt beeinflussen. Je nach Ausführung kann so eine flache, mittlere oder breite Ausleuchtung erzeugt werden.
In der Mitte der Beleuchtung wird ein breiterer Angle Changer eingesetzt als in den Randbereichen. Dadurch wird die Lichtintensität im Zentrum reduziert, während die Randbereiche stärker ausgeleuchtet werden.
Auf diese Weise entsteht eine gleichmäßige Helligkeitsverteilung über das gesamte Sichtfeld.
Der Einfluss des Kurveneffekts wird im direkten Vergleich deutlich: Die Beispielbilder wurden unter identischen Bedingungen ohne Angle Changer sowie mit drei eingesetzten Angle Changern aufgenommen.
- Im ersten Fall wird die Beleuchtung ohne Angle Changer betrieben, wodurch eine ungleichmäßige Ausleuchtung mit Intensitätsspitzen im Zentrum entsteht.
- Im zweiten Fall werden Angle Changer eingesetzt, wobei der mittlere Angle Changer einen größeren Abstrahlwinkel aufweist. Dadurch wird die Lichtintensität im Zentrum stärker gestreut und Hotspots werden gezielt reduziert.
Der Kurveneffekt kann in Anwendungen eingesetzt werden, die im Hellfeld beleuchtet sind. Voraussetzung ist zudem eine ausreichende Länge der Balkenbeleuchtung, da der Effekt erst ab einer Länge von 375 mm realisiert werden kann.
Welchen Effekt haben die verschiedenen Betriebsmodi?
Gleichlicht
Im Dauerbetrieb ist das Licht entweder ständig oder über die Belichtungszeit der Kamera hinaus eingeschaltet. So kann das Licht beispielsweise zwei Sekunden vor der Bildaufnahme eingeschaltet und zwei Sekunden danach wieder ausgeschaltet werden.
Der Dauerbetrieb bietet als wichtigsten Vorteil außerdem erhöhten Komfort für Mitarbeitende in der direkten Umgebung der Beleuchtung.
Der Dauerbetrieb bietet als wichtigsten Vorteil außerdem erhöhten Komfort für Mitarbeitende in der direkten Umgebung der Beleuchtung.
Stroboskoplicht
Das Stroboskopieren von Lichts bedeutet, dass die LEDs des Produkts über ein externes Signal ein- und ausgeschaltet werden, typischerweise von einer PLC/SPS oder direkt von der Kamera. Wenn ein Licht im Stroboskopmodus verwendet wird, wird es für die Zeit eingeschaltet, die die Kamera benötigt, um das Bild aufzunehmen. Das bedeutet, dass das Licht über die gesamte Belichtungszeit mit voller Intensität leuchtet.
Der Hauptvorteil des Stroboskopmodus besteht in der längeren Lebensdauer der LEDs aufgrund der geringeren Wärmeentwicklung in der Beleuchtung. In einigen Fällen, insbesondere bei Anwendungen mit großen Beleuchtungsanlagen, kann der Energieverbrauch so erheblich reduziert werden.
Neben den oben genannten Vorteilen des Stroboskopmodus ermöglicht die erhöhte Stromversorgung eine höhere Helligkeit. Dadurch können die Belichtungszeit reduziert und eine kleinere Blende für die Kamera gewählt werden.
Der Hauptvorteil des Stroboskopmodus besteht in der längeren Lebensdauer der LEDs aufgrund der geringeren Wärmeentwicklung in der Beleuchtung. In einigen Fällen, insbesondere bei Anwendungen mit großen Beleuchtungsanlagen, kann der Energieverbrauch so erheblich reduziert werden.
Stroboskop-OverDrive-Modus
Der Stroboskop-OverDrive-Modus bezeichnet einen Betriebsmodus bei LED-Beleuchtungen, der einen höhere Stromversorgung der LEDs innerhalb einer definierten Einschaltdauer erlauben. Alle wenglor LED-Beleuchtungen mit OverDrive verfügen über eine interne Steuereinheit zur Kontrolle der Einschaltdauer; dadurch ist das Produkt geschützt.Neben den oben genannten Vorteilen des Stroboskopmodus ermöglicht die erhöhte Stromversorgung eine höhere Helligkeit. Dadurch können die Belichtungszeit reduziert und eine kleinere Blende für die Kamera gewählt werden.
