Beleuchtungen

Ein Algorithmus kann nur Merkmale auswerten, die im Bild sichtbar sind. Die Beleuchtung entscheidet deshalb häufig stärker über den Erfolg einer Anwendung als zusätzliche Kameramegapixel. Mit der richtigen Lichtgeometrie kann beispielsweise ein kaum sichtbarer Kratzer sehr kontrastreich erscheinen.

Die Auswahl hängt hauptsächlich ab von: Oberfläche Material Objektgeometrie gewünschtem Merkmal Kamerarichtung Arbeitsabstand Geschwindigkeit benötigter Wellenlänge Es gibt keine Beleuchtungsform, die für alle Anwendungen optimal ist.

Bei einer Auflichtanordnung befinden sich Kamera und Beleuchtung grundsätzlich auf derselben Seite des Objekts. Je nach Einfallswinkel entstehen Hellfeld-, Dunkelfeld- oder diffuse Beleuchtungseffekte.

Ein Ringlicht sitzt ringförmig um die Kameraoptik und beleuchtet das Objekt aus mehreren Richtungen. Dadurch können Schatten reduziert werden. Der tatsächliche Bildeffekt hängt stark vom Winkel der LEDs ab: Ein flaches Ringlicht kann beispielsweise als Dunkelfeld wirken, ein steileres als direktes Auflicht.

Beim Dunkelfeld trifft Licht in einem flachen Winkel auf die Oberfläche. Glatte Bereiche reflektieren einen großen Teil des Lichts an der Kamera vorbei, während Kanten, Kratzer, Gravuren oder Erhöhungen Licht zur Kamera streuen können. Deshalb erscheinen Oberflächenfehler häufig hell auf dunklem Hintergrund.

Typische Anwendungen: Kratzer Gravuren Prägungen Risse Oberflächenstrukturen DPM-Codes Kanten Ob es tatsächlich funktioniert, hängt vom Material und der Oberflächenstruktur ab.

Bei einer Koaxialbeleuchtung wird Licht über einen Strahlteiler entlang der Kameraachse auf das Objekt geführt. Dadurch ist sie besonders für flache, spiegelnde bzw. gerichtete reflektierende Oberflächen geeignet.

Beispiele: Wafer polierte Metalle Leiterplatten flache Glasflächen Druck Markierungen auf spiegelnden Flächen Bei stark gekrümmten Oberflächen ist häufig eine diffuse Dome-Geometrie besser geeignet.

Eine Dome-Beleuchtung erzeugt Licht aus vielen Richtungen um das Objekt. Dadurch werden harte Reflexe und Schatten reduziert. Sie eignet sich besonders für glänzende, gewölbte oder unregelmäßige Oberflächen.

Beim Durchlicht befindet sich das Objekt zwischen Kamera und Beleuchtung. Das Objekt wird als Silhouette dargestellt. Typische Anwendungen: Außenkontur Durchmesser Spalt Bohrung Anwesenheit Geometrie

Bei kollimiertem Licht verlaufen die Lichtstrahlen stärker parallel als bei einem normalen diffusen Backlight. Dadurch können Kanten bei bestimmten Messaufgaben schärfer und reproduzierbarer dargestellt werden.

Telezentrisches bzw. stark kollimiertes Messdurchlicht erzeugt sehr gerichtete Strahlen und wird mit geeigneter Optik für besonders genaue Konturmessungen eingesetzt. Für hochpräzise Messtechnik können telezentrisches Objektiv und telezentrisch bzw. kollimiert ausgelegte Beleuchtung kombiniert werden.

Eine Linienbeleuchtung konzentriert Licht auf einen schmalen Bereich. Sie wird besonders häufig mit Zeilenkameras eingesetzt, da nur die gerade aufgenommene Objektlinie intensiv beleuchtet werden muss.

Es gibt keine universell beste Lichtfarbe. Die optimale Wellenlänge hängt davon ab, welche Materialien bzw. Farben voneinander getrennt werden sollen. Die spektrale Reflexion des Objekts und die Empfindlichkeit des Sensors sind entscheidend.

nm bedeutet Nanometer. 1 nm = 10⁻⁹ m Sichtbares Licht umfasst grob einen Bereich von violett/blau über grün und rot; Machine Vision verwendet zusätzlich unter anderem UV-, NIR- und SWIR-Wellenlängen.

Rotes Licht wird sehr häufig eingesetzt, weil: viele Monochromsensoren dafür gut empfindlich sind leistungsfähige LEDs verfügbar sind passende Bandpassfilter verfügbar sind Ob Rot den besten Kontrast liefert, hängt jedoch von der Oberfläche und Farbe des Prüflings ab.

Blaues Licht besitzt eine kürzere Wellenlänge als rotes Licht. Es kann dadurch bei sehr kleinen Oberflächenstrukturen optische Vorteile bieten und erzeugt bei verschiedenfarbigen Materialien andere Kontrastverhältnisse als rotes Licht.

Grün kann sinnvoll sein, wenn der spektrale Kontrast des Werkstücks dadurch verbessert wird oder Kamera und Optik im grünen Bereich besonders gut arbeiten. Gerade bei Messanwendungen sind monochromatische grüne Beleuchtungen verbreitet.

Weißes Licht enthält ein breiteres sichtbares Spektrum. Es ist erforderlich bzw. sinnvoll, wenn mit einer Farbkamera tatsächliche Farbinformation ausgewertet werden soll.

NIR kann sichtbare Farb- oder Druckmuster anders darstellen als sichtbares Licht. Anwendungen können beispielsweise sein: bestimmte Verpackungsprüfungen Materialunterscheidung Unterdrückung sichtbarer Druckinformationen Prüfung bestimmter biologischer Materialien Die konkrete Wirkung muss durch Versuche bestimmt werden.

SWIR steht für Short-Wave Infrared. SWIR-Kameras erfassen Wellenlängen oberhalb des klassischen sichtbaren/NIR-Bereichs und können Materialeigenschaften sichtbar machen, die mit normaler Siliziumkamera nicht oder nur schlecht erkennbar sind. Typische Anwendungen umfassen Feuchteunterschiede, Materialtrennung, Halbleiter und Prüfungen durch bestimmte Verpackungsmaterialien.

UV wird häufig verwendet, um Fluoreszenz anzuregen. Geeignete Stoffe emittieren anschließend Licht mit einer anderen Wellenlänge. Typische Anwendungen: Klebstoffkontrolle Beschichtungen Sicherheitsmarkierungen Verunreinigungen bestimmte Drucke

Ein Polarisationsfilter lässt bevorzugt Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung passieren. In Machine Vision werden häufig ein Polarisator an der Beleuchtung und ein zweiter vor dem Objektiv kombiniert. Durch Kreuzpolarisation können bestimmte störende Spiegelreflexionen stark reduziert werden.

Nein. Die Wirksamkeit hängt von Material, Winkel, Oberflächenstruktur und Reflexionsart ab. Metallische Reflexionen und stark gekrümmte Oberflächen können beispielsweise schwieriger sein.

Ein Bandpassfilter lässt nur einen begrenzten Wellenlängenbereich passieren. Wird beispielsweise eine rote LED mit einem passenden roten Bandpassfilter kombiniert, kann Fremdlicht außerhalb dieses Bereichs deutlich reduziert werden.

Ein Longpassfilter lässt Wellenlängen oberhalb einer definierten Grenzwellenlänge passieren und blockiert kürzere Wellenlängen.

Ein Shortpassfilter lässt Wellenlängen unterhalb einer Grenzwellenlänge passieren und blockiert längere.

Ein IR-Cut-Filter unterdrückt infrarote Lichtanteile. Das ist insbesondere bei Farbanwendungen sinnvoll, damit IR-Anteile die Farbwiedergabe nicht verfälschen.

Bei Dauerlicht ist die Beleuchtung permanent aktiv. Das ist einfach einzurichten, erzeugt aber dauerhaft Wärme und erreicht häufig eine geringere Spitzenlichtleistung als ein zulässiger Strobebetrieb.

Dabei wird die Beleuchtung nur für ein kurzes Zeitfenster aktiviert. Die Beleuchtung wird mit der Kamera synchronisiert und kann bei dafür ausgelegten Produkten für kurze Pulse mit höherem Strom betrieben werden.

Vorteile: hohe momentane Lichtleistung kurze Belichtungszeiten weniger Bewegungsunschärfe geringere mittlere thermische Belastung als bei gleicher Spitzenleistung im Dauerbetrieb Die zulässigen Pulse hängen jedoch vollständig von Beleuchtung und Controller ab.

Overdrive bedeutet, dass eine LED für einen sehr kurzen Zeitraum oberhalb ihrer normalen Dauerbetriebsleistung angesteuert wird. Das ist nur zulässig, wenn Beleuchtung und Controller ausdrücklich dafür ausgelegt sind. Hersteller wie CCS und Falcon geben dafür produktspezifische Grenzwerte vor.

Der Duty Cycle bzw. Tastgrad beschreibt den zeitlichen Anteil, während dem ein Signal aktiv ist. Bei einem periodischen Blitz: Duty Cycle = Blitzdauer / Periodendauer × 100 % Beispiel: 100 µs Blitz 10 ms Zyklus 0,1 ms / 10 ms × 100 = 1 %

Das ist produktspezifisch. Es gibt keinen allgemein gültigen maximalen Duty Cycle für Machine-Vision-Beleuchtungen. Datenblatt von Licht und Controller beachten.

Auch das ist produktspezifisch. Zulässiger Spitzenstrom, Pulsdauer, Frequenz und Duty Cycle bilden gemeinsam die thermische Belastungsgrenze.

PWM steht für Pulse Width Modulation. Die Helligkeit wird über das Verhältnis von Ein- zu Ausschaltzeit geregelt, während die elektrische Pulsamplitude weitgehend konstant bleiben kann. Bei Kameras muss darauf geachtet werden, dass PWM und Belichtungszeit keine unerwünschten Helligkeitsschwankungen erzeugen.

Ein Controller kann je nach Modell: Strom regeln Beleuchtung dimmen Trigger empfangen Blitzpulse erzeugen Verzögerungen einstellen Overdrive bereitstellen mehrere Kanäle synchronisieren

Es gibt keine allgemeine Antwort. Für flaches spiegelndes Metall sind beispielsweise Koaxiallicht oder diffuse Beleuchtung interessant. Für Kratzer und Gravuren funktioniert häufig flaches Dunkelfeld sehr gut.

Ein sehr flacher Lichteinfall ist häufig effektiv. Die glatte Fläche bleibt dunkel, während der Kratzer Licht zur Kamera streut und hell erscheint.

Mögliche Kandidaten sind: Dome diffuse Koaxialbeleuchtung Polarisation Dunkelfeld Welche Lösung optimal ist, hängt davon ab, ob beispielsweise Kratzer, Druck, Kontur oder DPM-Code sichtbar gemacht werden soll.

Auch hier ist das gewünschte Merkmal entscheidend. Für glänzende Kunststoffoberflächen funktionieren häufig diffuse Beleuchtungen oder Polarisation. Für Oberflächenfehler können Dunkelfeldverfahren geeignet sein.

Mögliche Verfahren: Durchlicht für Konturen Dunkelfeld für Kanten und Defekte gerichtetes Licht für Oberflächen Polarisation für bestimmte Spannungs- oder Reflexionseffekte Glas ist eine der Anwendungen, bei denen praktische Beleuchtungstests besonders wichtig sind.

Abhängig vom Prüfmerkmal kommen beispielsweise infrage: diffuse Auflichtbeleuchtung Dome Koaxiallicht Low-Angle-/Dunkelfeld Falcon nennt Low-Angle-Diffusbeleuchtung beispielsweise für PCB- und Lötstelleninspektion.

Dome bzw. großflächig diffuse Beleuchtung ist häufig eine sehr gute Ausgangsbasis. Eine zusätzliche Polarisation kann weitere gerichtete Reflexionen reduzieren.

Statt nur die Belichtung zu reduzieren, sollte meist die Beleuchtungsgeometrie geändert werden. Mögliche Lösungen: Dunkelfeld Dome Koaxiallicht diffuseres Licht Polarisation Kamera-/Lichtwinkel verändern

Mögliche Gründe: falscher Abstand Beleuchtung zu klein falscher Winkel unzureichende Diffusion Objektgeometrie Abschattung Zuerst sollte die Beleuchtung mechanisch optimiert werden; Flat-Field-Correction kann anschließend Restunterschiede korrigieren.

Mögliche Ursachen: PWM Netzfrequenz unsynchronisierter Controller falsches Trigger-Timing Belichtungszeit trifft unterschiedliche PWM-Phasen Kamera und Beleuchtung sollten zeitlich synchronisiert werden.

Häufig ist der Lichtpuls nicht korrekt mit der Exposure synchronisiert. Prüfen: Triggerpolung Strobe Delay Pulsdauer Belichtungszeit Controller Lichtstrom Kabel

LEDs wandeln nicht die gesamte elektrische Leistung in Licht um. Die entstehende Verlustleistung muss als Wärme abgeführt werden. Bei leistungsstarken Industriebeleuchtungen ist eine ausreichende thermische Anbindung deshalb wesentlich für Lichtstabilität und Lebensdauer.

Dann fehlt häufig optischer Kontrast. Statt einer noch höher auflösenden Kamera sollte zunächst versucht werden: Lichtwinkel ändern Wellenlänge ändern Dunkelfeld Koaxiallicht Dome Polarisation Das Ziel ist, den Defekt bereits im Rohbild deutlich sichtbar zu machen.

Duty Cycle [%] = Pulsdauer / Periodendauer × 100

Nicht nach Hersteller beginnen, sondern nach optischer Aufgabe: Kontur → Backlight Kratzer → Dunkelfeld flaches spiegelndes Metall → Koaxiallicht gewölbtes glänzendes Teil → Dome allgemeine Frontbeleuchtung → Ring- oder Balkenlicht Danach passende Größe, Farbe, Leistung und Controller auswählen.

Benötigt werden: Objektgröße gewünschtes Merkmal Oberfläche Arbeitsabstand Kamerawinkel Lichtfarbe Dauer-/Strobebetrieb benötigte Schutzart Dann sollte zuerst die Beleuchtungsgeometrie bestimmt und danach innerhalb der passenden Produktfamilie ausgewählt werden.