Beleuchtungstechniken für die industrielle Bildverarbeitung

Aus Fertigungsautomatisierung
Wechseln zu: Navigation, Suche
Technologien der Fertigungsautomatisierung - Seminarreihe zu ausgewählten Forschungsthemen der industriellen Anwendung

Herausgeber: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich; Siegen; ISSN 2195-9986

 
Titel der Arbeit: Beleuchtungstechniken für die industrielle Bildverarbeitung
Name des Autors: Anonym


Abstract

Die Beleuchtungstechnik ist im Rahmen der industriellen Bildverarbeitung von größter Bedeutung. Die Auswahl der Beleuchtungskomponeneten sowie die Anordnung haben einen großen Einfluss auf die Darstellungsqualität und die Leistungsfähigkeit eines gesamten Visionsystems.

Unter den Leuchtmittelen gibt es eine große Auswahl von Lampen wie den klassischen Temperaturstrahlern wie Glüh- oder Halogenlampen bis hin zu Entladungslampen wie Leuchtstofflampen oder Halogen-Metalldampflampen. In den letzten Jahren spielen LEDs eine immer größere Rolle unter den Beleuchtungen in der industriellen Bildverarbeitung. LEDs haben den großen Vorteil wenig Strom zu verbrauchen und zudem noch hohe Lebenszeiten zu erzielen. Ergänzt wird das Spektrum der Leuchtmittel von Laserlichtquellen, die vor allem zum Einsatz kommen, wenn strukturierte Beleuchtung benötigt wird.

Eine Gemeinsamkeit haben dabei alle Leuchtmittel, denn sie haben eine begrenzte Lebensdauer. In der industriellen Bildverarbeitung sind die meisten Anwendungen für den 24-h-Dauerbetrieb ausgelegt und daher ist die Lebensdauer von Lampen ein entscheidendes Kriterium bzgl. Qualität und Wirtschaftlichkeit einer Gesamtanlage. Um keinen Ausfall der Gesamtanlage durch defekte Lampen zu riskieren, muss zwischen mittlerer Lebensdauer und Nutzlebensdauer von Lampen exakt unterschieden werden und rechtzeitige Lampenwechsel in der Instandhaltung eingeplant werden.

Nach der Auswahl des Leuchtmittels spielt der Winkel in dem das Licht auf das Prüfobjekt fällt eine maßgeblich Rolle inwiefern das Bild von der Kamera erfasst wird. Somit ist der Beleuchtungswinkel ebenfalls ein sehr wichtiger Faktor in der industriellen Bildverarbeitung. Man unterscheidet beim Beleuchtungswinkel zum einen Auf- und Durchlicht-Beleuchtungen sowie Hell- und Dunkelfeld-Beleuchtungen.

Darüberhinaus ist die Art und Weise zu beachten, wie das Licht auf das Prüfobjekt trifft, da auch sie zur Qualität des aufgenommenen Bildes beiträgt und die anschließende Bildnachbearbeitung vereinfachen kann. Hier sind Extreme vom strukturierten Laserlicht bis hin zum Streulicht möglich.

Abschließend ist z.B. die Oberfläche des Prüfobjektes nicht zu vernachlässigen, da auch sie die Bildqualität nochmals beeinflussen kann. Zudem gibt es die Möglichkeit mittels Filter ungewünschte Effekte die z.B. durch bestimmte Wellenlängenbereiche hervorgerufen werden herauszufiltern.


Inhaltsverzeichnis


Einleitung

„Die Basis menschlichen Sehens ist Wissen – Die Basis maschinellen Sehens ist die Beleuchtung.“ [1] S. 23

Die Beleuchtungstechnik ist im Rahmen der industriellen Bildverarbeitung von größter Bedeutung, die Auswahl der Beleuchtungskomponeneten sowie die Anordnung haben einen großen Einfluss auf die Darstellungsqualität und die Leistungsfähigkeit eines gesamten Visionsystems. Die Beleuchtungstechnik lässt sich folglich in zwei große Hauptgebiete aufteilen, einerseits die Lichtquellen und andererseits die Anordnung der Beleuchtungsquellen.

Lichtquellen

Grundlagen

Begriffe

Vorab einige Begriffsdefinitionen, die für das Verständnis der Arbeit notwendig sind:

Abbildung 1: Spektrale Hellempfindlichkeit V(ϕ) des menschlichen Auges (Tagsehen in rot im Vergleich zum Nachtsehen in blau) als Funktion der Wellenlänge λ.
Lichtstrom ϕ in [lm] oder Candela * Steradiant [cd * sr] Der Lichtstrom ist der auf die Augenempfindlichkeit (siehe Abb. 1) bewertete Strahlungsfluß. Die gesamte abgestrahlte Lichtleistung entspricht demnach dem Lichtstrom einer Lichtquelle. ([2] S. 68)
Beleuchtungsstärke E in [lx] =ϕ/A = lm/m2 oder cd*sr/m2 Die Beleuchtungsstärke ist eine lichttechnische Größe mit dem Formelzeichen E und entspricht der durch die Augenempfindlichkeit bewerteten Bestrahlungsstärke. Die Beleuchtungsstärke beschreibt den Lichtstrom, der auf eine beliebig ausgerichtete Fläche fällt. ([2] S. 14)
Leuchtdichte L in cd/m2 Die Leuchtdichte ist der Lichtstrom, der in einer bestimmten Richtung in einem bestimmten Raumwinkel von einer bestimmten Fläche austritt. Die Leuchtdichte ist Maß für die vom Auge oder Bildaufnehmer empfundene Helligkeit eines Strahlers oder beleuchteten Objektes. ([2] S.66)
Farbtemperatur Kelvin [K] Die Farbtemperatur ist die Temperatur, die ein schwarzer Körper haben müßte, um in einer bestimmten Farbe zu erscheinen. Die Farbtemperatur dient folglich zur Charakterisierung von Lichtquellen. Norm-Farbtemperatur für Tageslicht: 5500 K (Vgl.[2] S.40)
Farbe Farbe ist ein Sinneseindruck, der durch das Auge bei einer Reizung der Netzhaut durch Licht verschiedener Wellenlängen vermittelt wird. ([2] S. 37)
Farbwiedergabeindex Ra in [%] Der Farbwiedergabeindex gibt an, wie stark der natürliche Farbeindruck durch eine bestimmte Beleuchtung beeinflusst wird. Hohe Werte werden erzielt wenn im verwendeten Licht das ganze Spektrum vorhanden ist. (Vgl.[3] S.38 - 40)
Wellenlänge Lambda λ in [m] Die Wellenlänge ist die Länge der räumlichen Periode einer elektromagneteischen Welle. Licht als elektromagnetische Welle belegt den Wellenlängenbereich zwischen 15 nm und 800 µm. Die darin eingeschlossenen Bereiche sind ultraviolettes Licht (UV), sichtbares Licht (VIS), infrarotes Licht (IR). ([2] S. 100)



Lebensdauer der Beleuchtungsquellen

Abbildung 2: Veranschaulichung der Definition der mittleren Lebensdauer.
Abbildung 3: Nutzlebensdauer im Bezug auf den Lichtstrom.


Da in der industriellen Bildverarbeitung die meisten Anwendungen für den 24-h-Dauerbetrieb ausgelegt sind, ist die Lebensdauer von Lampen ein entscheidendes Kriterium bzgl. Qualität und Wirtschaftlichkeit einer Gesamtanlage. Man unterscheidet zwischen mittlerer Lebensdauer und wirtschaflicher Nutzungsdauer.

Mittlere Lebensdauer

Die mittlere Lebensdauer definiert einen Zeitpunkt zu dem noch mindestens 50 % aller Lampen (siehe Abb. 2) funktionsfähig sind. Vor allem konstruktive und fabrikationstechnische Gegebenheiten haben Einfluss auf die mittlere Lebensdauer, aber auch die Betriebsspannung und die Umgebungseinflüsse können sich bemerkbar machen.

Nutzlebensdauer

Für Anwendungen in der industriellen Bildverarbeitung ist die Nutlebensdauer von größerer Bedeutung als die mittlere Lebensdauer. Die wirtschaftliche Lebensdauer bezieht sich nicht auf den Ausfall der Lampen, sondern auf den nach einer gewissen Zeit noch vorhandenen Lichtstrom (siehe Abb.3) eines Leuchtmittels, der bekanntlich mit der Lebensdauer abnimmt. Um die einwandfreie Funktion von Bildverarbeitungssystemen zu gewährleisten beziehen sich Angaben bzgl. der Nutzlebensdauer meist auf den Zeitpunkt zu dem noch 80% des ursprünglichen Lichtstroms vorhanden sind. ([3] S. 66 - 68)

Temperaturstrahler

Glühlampen

Abbildung 4: Spektrum ...
Abbildung 5: Betriebs...

Glühlampen bestehen aus einem mit Niederdruck-Edelgas (meist Stickstoff-Argon-Gemisch) gefüllten Glaskolben in dem ein gewendelter Wolfram-Glühfaden angebracht ist. Die Elektronen im Draht werden durch die Temperatur auf ein höheres Energieniveau gebracht und setzen beim Übergang in das niedrigere Energieniveau Photonen frei, die Licht verschiedener Wellenlängen ausstrahlen (Siehe Abb. 4). Glühlampen gibt es in Ausführungen bis 1.000 W, dabei beträgt der Wirkungsgrad maximal 15 %, was einer Lichtausbeute von 10 - 15 lm/W entspricht. Sie leuchten mit einer Farbtemperatur von 2.700 - 2.900 K bei einer mittleren Lebenszeit von 1.000 h und haben dabei einen Farbwiedergabeindex Ra = 100 % . ([3] S. 69)

Halogenglühlampen

Bei Halogenglühlampen werden Jod oder Bromverbindungen dem Füllgas zugesetzt. Diese Verbindungen führen mit Hilfe des Wolfram-Halogen-Kreisprozesses zu einem verringerten Wolframniederschlag auf der Kolbenoberfläche und somit zu einer geringeren Kolbenschwärzung. ([3] S. 73-75) Halogenglühlampen leuchten mit einer Farbtemperatur von 2.800 - 3.100 K bei einer Lebensdauer bis 5.000 h. Die Lichtausbeute liegt bei ca. 25 lm/W und somit deutlich höher als bei normalen Glühlampen. Im Weiteren lassen sich kleinere Bauvolumen realisieren sowie eine optimale Lichtlenkung. Ein Nachteil von Halogenglühlampen ist die Emission von UV-A-, B- & C-Strahlung die mittels speziellen Quarzglas zurückgehalten werden müssen. Um den Wirkungsgrad von Halogenglühlampen weiter zu steigern können halbdurchlässige "Infrarot-Spiegel" (alternierende dielektrische Schichten aus Ti02 und SiO2) im Kolben instaliiert werden. Der Spiegel der s.g. IRC-Halogenglühlampen hindert einen Teil der Infrarot Strahlung am Austreten aus dem Kolben und die Lampe brauch somit weniger Leistung um ihre Glühtemperatur von ca. 3000 K zu halten, was zu einer Effizienzsteigerung von etwa 30 % führt. (siehe auch Abb. 5 Betriebskennlinie) ([3] S. 76/77)

Entladungslampen

Das Funktionsprinzip ist bei allen Gasentladungslampen sehr ähnlich. Das Licht wird nicht durch Temperaturstrahlung erzeugt, sondern durch einen Entladungsvorgang von ionisierten Gasen in einem Glaskörper mit 2 beheizten Elektroden. Meist werden Metalldämpfe und/ oder Edelgase verwendet, die durch Stoßionisation zur Lichtemission angeregt werden. Grundsätzlich können Entladungslampen mit Wechsel- und Gleichstrom betrieben werden, auf Grund des einseitigen Elektrodenabbrandes wird aber hauptsächlich Wechselstrom verwendet.

Niederdruck Entadungslampen


Abbildung 6: Betriebs...
Abbildung 7: Spektrum..

Die Niederdruck Entadungslampen arbeiten mit Betriebsdrücke von 10-6 bis 10-5 bar in meist großvolumigen und länglichen Entladungsgefäßen. Je nach Druck und Zusammensetzung des Gasgemisches unterscheiden sich die emittierten Farbspektren und somit die Lichtfarbe stark.

Leuchtstofflampen

Die klassische Leuchtstofflampe ist korrekt ausgedrückt eine Quecksilber Niederdrucklampe mit einer Gasgrundfüllung aus Argon oder Krypton mit etwas Quecksilber. Es gibt jedoch eine Vielzahl von Leuchtstofflampentypen, die sich bezüglich Lichtfarbe (Warmweiß, Neutralweiß, Tageslichtweiß), Farbwiedergabe (Ra= 60 - 99) und Lichtausbeute (50-95 lm/W) unterscheiden. Dabei beeinflussen sich Lichtstrom, Netzsrom, Gesamtleistung und Lichtausbeute stark, wie Abb. 6 zeigt. Im Weiteren lassen sich Leuchtstofflampen noch nach der Art des Vorschaltgerätes unterscheiden. Hier gibt es die konventionellen (meist Glimmstarter) und die elekrtonischen Vorschaltgeräte. Eine Sonderform der Leuchtstofflampe ist beispielsweise die s.g. Energiesparlampe .

Natriumdampf Niederdrucklampen

Die Natriumdampf Niederdrucklampen (Na-Lampen) besitzen mit über 175 lm/W die höchste bekannte Lichtausbeute und sind daher erwähnenswert. Diese Eigenschaft der Na-Lampen hängt mit ihrem emittierten Spektrum zusammen, das wie Abb. 7 zeigt fast nur aus monochromatisch gelben Licht der Wellenlänge 589 nm besteht. Außerdem haben Na-Lampen sehr hohe Lebensdauern von über 10.000 h und dabei nur geringe Lichtstromverluste von ca. 20%. Größter Nachteil der Na-Lampen ist jedoch ebenfalls das monochromatische Licht, da farbige Gegenstände nur in verschiedenen Gelbstufen erscheinen. Somit ist eine Farberkennung nicht möglich, was die Anwendung der Na-Lampen stark einschränkt. ([3] S. 107 - 111)

Hochdruck Entladungslampen


Die Hochdruck Entladungslampen arbeiten mit Betriebsdruck von 0,2 bis 10 bar in meist kleinvolumigen und kurzen Entladungsgefäßen. Eine Besonderheit dieser Lampen ist, dass sich aus physikalischen Gründen die Lichtausbeute und der Farbwiedergabeindex diametral gegenüber stehen. Somit besitzen Lampen mit guter Farbwiedergabeeigenschaft eine niedrige Lichtausbeute und umgekehrt.

Natriumdampf Hochdrucklampen

Abbildung 8: Spektrale Strahlungsverteilung von Natriumdampf Hochdrucklampen

Die Natriumdampf Hochdrucklampen erzielen bei einem Betriebsdruck von 0,25 bar mit 120 - 150 lm/W die höchste Lichtausbeute unter allen Hochdruck Entladungslampen und haben eine mittlere Lebensdauer von 32.000 h. Röhrenform, Soffittenform und Ellipsoidform sind die gebräuchlichen Bauformen, die in unterschiedlichen Ausführungen von 50 - 1.000 W erhältlich sind. Die Farbtemperatur ist warmweiß bei 2.200 K (Siehe auch Abb. 8 Spektrum), jedoch ermöglichen Natriumdampf Hochdrucklampen Farbsehen nur eingeschränkt auf Grund des relativ schlechten Farbwiedergabeindexes (Ra< 60). Somit eigenen sich diese Lampen besonders in Fällen bei denen hohe Wirtschaftlichkeitsansprüche auf geringe technische Ansprüche treffen. Der Farbwiedergabeindex lässt sich allerdings erheblich verbessern durch den Impulsbetrieb der Lampe. Hier ändert sich die Strahlung des Plasma auf 2.500 - 2.900 K und der Farbwiedergabeindex steigt auf Werte bis Ra = 80, was den Einsatz in technisch mittelmäßig anspruchsvollen Gebieten ermöglicht. ([3] S. 111 - 116 & [4] S. 159 - 162)

Quecksilberdampf-Hochdrucklampen

Abbildung 9: Spektrale Strahlungsverteilung von...

Quecksilberdampf-Hochdrucklampen sind in zwei Leistungsklassen von 50 - 125 W und 250 - 2.000 W in den Bauformen Ellipse, Reflektor und Kugel erhältlich. Als Grundgas dient Argon und als Füllgas zur Lichterzeugung wird Quecksilber verwendet bei einem Betriebsdruck von 2 - 9 bar. Im Gegensatz zu vielen anderen Entladungslampen können sie ohne spezille Zündgeräte betrieben werden und erreichen eine mittlere Lebensdauer von 15.000 h. Die Quecksilberdampf-Hochdrucklampen erreichen eine Lichtausbeute zwischen 30 - 60 lm/W und liefern dabei ein bläulich-weißes Licht mit hohem Gelb- und Grünanteil (siehe Abb. 9). Mit Hilfe von speziellen Leuchtstoffbeschichtungen im Kolben ist das Farbspektrum jedoch vom Lampenhersteller zwischen 2.900 K (warmweiß) und 4.200 K(neutralweiß) einstellbar. ([3] S. 116 - 120)

Halogen-Metalldampflampen

Abbildung 10: Spektrale Strahlungsverteilung von...

Halogen-Metalldampflampen sind Weiterentwicklungen der Quecksilberdampf-Hochdrucklampen, denen Metallhalogenide (meist Jodidbeimengungen) zugesetzt sind. Zusätzliche Leuchtstoffe sind überflüssig, da die Entladung keine Farbverbesserung brauch. Mit Zusätzen wie Dysprosium, Thallium und Indium lässt sich ein breites Spektrum (siehe Abb. 10) von 3.000 - 6.000 K erzeugen was gleichzeitig sehr gute Farbwiedergabeeigenschaften Ra> 80 liefert. Zudem ist die Lichtausbeute mit 55 - 120 lm/W in einem guten Bereich, lediglich die mittlere Lebensdauer von ca. 6.000 h ist nicht überragend. Halogen-Metalldampflampen sind in Ausführungen von 35 - 3.500 W erhältlich in den Bauarten Röhrenkolben, Kompaktform, Ellipsoidkolben und Pilzform. Zusätzlich lassen sich noch Lampen mit Quarzglasbrenner oder Keramikbrenner unterscheiden, wobei mehrheitlich Zündgerät oder Starter verwendet werden. ([3] S. 120 - 126 & [4] S. 157 - 159)

Light Emitting Diodes - LED-Beleuchtung

Abbildung 11: Aufbau einer LED
Abbildung 12: Farbvarianten von LEDs
Abbildung 13: Temperaturabhängigkeit des Lichtstroms von LEDs
Abbildung 14: Passive Kühlmaßnahmen an einem LED-Modul
Abbildung 15: Aktive Kühlmaßnahmen an einem LED-Modul

Heutzutage sind LEDs schon zur Standardbeleuchtung in der industriellen Bildverarbeitung aversiert. Das Funktionsprinzip der Leuchtdioden basiert auf der Halbleiter-Technologie. Hier rekombinieren Elektronen und Löcher unter Abstrahlung von Licht bei Stromfluss durch den pn-Übergang im Sperrschichtbereich (siehe Abb. 11). Die abgegebene Energie und somit die Wellenläge wird von dem Substrat, dem Material des pn-Überganges bestimmt. Abb. 12 zeigt eine Auswahl möglicher Farben. Die Farbe der LEDs hat entscheidenden Einfluss auf eine Reihe von charakteristischen Größen. So variiert je nach Farbe die Durchlassspannung (2 - 4 V), der Duchlassstrom (10 - 70 mA) und die Lichtausbeute (20 lm/W bei weißen - 60 lm/W bei farbigen LEDs) stark. Alle LEDs hingegen haben einen sehr geringen Stromverbrauch, eine hohe Farbeffizienz bei nahezu monochromen Licht sowie einen hohen Farbwiedergabeindex Ra> 80. Zudem sind Abstrahlwinkel von 15° - 120° möglich bei sehr kompakter Bauweise und hoher Stoß- und Vibrationsfestigkeit. Die Lebensdauer von LEDs ist stark abhängig von Fertigungsqualität, der Farbe sowie den Einsatzbedingungen und kann zwischen 20.000 und 100.000 h variieren. Eine entscheidene Rolle unter den Einsatzbedingungen spielen hier vor allem das Zeitmanagement und das Wärmemanagement. ([3] S. 132 - 140 & [6] S. 95 - 98)

Zeitmanagement

Da LEDs Reaktionszeiten von <1 μs besitzen, sprich keinerlei nennenswerte Verzögerung beim Einschaltvorgang aufweisen, ergibt sich die Möglichkeit die LEDs nur in den Zeiträumen einzusetzen, in denen sie gebraucht werden, also im Moment der Bildaufnahme. Das s.g. Stroben mit Hilfe von Blitz-Controllern hat bei LEDs keinerlei negativen Einfluss auf die Lebensdauer, sprich es gibt keinen Alterungseffekt durch das Blitzen. Im Gegenteil beeinflusst das Stroben die Lebensdauer der LEDs sogar positiv, da sich die LEDs im Blitzbetreib nicht so srtark erhitzen wie im Dauerbetrieb. Diese Tatsache ermöglicht es, die LEDs kurzfristig mit der 10-fachen Stromleistung zu betreiben und somit die bis zu 6 fache Beleuchtungsintensität zu erhalten. ([5] S. 39)

Wärmemanagement

Der Wärmehaushalt der LEDs ist das wichtigste Kriterium bzgl. ihrer Lebensdauer. Generell sind LEDs im Temperaturbereich von -40°C bis +100°C einsetzbar. Allerdings muss die Wärmeenergie vom Halbleiterelement abgeführt werden, da sonst dessen Struktur bei Temperaturen ab ca. 60°C beschädigt wird und eine starke Alterung zur Folge hat. Bei Überhitzung der LEDs droht sogar der komplette Ausfall. Im Weiteren sinkt bei steigender Temperatur der relative Lichtstrom (siehe Abb. 13). Um den Lichtstrom möglichst hoch zu halten und die Lebenszeit der LEDs nicht zu verkürzen werden oftmals passive und aktive Maßnahmen getroffen um sie zu kühlen. ([5] S. 39 - 41)

Passive Maßnahmen:

  • Thermische Verbindung zwischen Gehäuse und Leiterplatte zur Wärmeabfuhr
  • Kühlrippen am Gehäuse zur Oberflächenvergrößerung (siehe Abb. 14)
  • Verwendung von Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium

Aktive Maßnahmen:

  • Luftkühlung durch Verwendung von Ventilatoren
    • ermöglicht erhöhte Wärmeabfuhr
    • vermeidet Ansammlungen von heißer Luft s.g. "hot spots"
  • Flüssigkeitkühlung des Gehäuses (siehe Abb. 15)
    • kann dank der kompakten Bauform der LEDs sehr nahe an sie herangeführt werden
    • ermöglicht abkühlen unter Umgebungstemperatur
  • elektrisch induzierten Wärmetransfer durch Peltier-Elemente
    • können eingesetzt werden wenn Luft- oder Wasserkühlung im Prüfbereich nicht möglich sind
    • können lokal exakte Temperaturen erzielen, sprich optimale Einsatztemperatur erzeugen

OLED

Die organische Leuchtdiode OLED (Organic Light-Emitting Diode) besteht aus dünnfilmigen organischen halbleitenden Materialien deren Aufbau und Funktionsprinzip vergleichbar mit den klassischen anorganischen LEDs ist. Forscher des Instituts für Angewandte Photophysik (IAPP) haben die derzeit effektivste OLED entwickelt. Ihre OLED erreichte eine Lichtausbeute von bis zu 124 lm/W mit Hilfe eines speziellen 3D-Systems zur Lichtauskopplung, allerdings bei geringen Lebenszeiten. Für kommerzielle Anwendungen in der industriellen Bildverarbeitung ist die Lebensdauer der OLEDs derzeit noch eher unzureichend und im Vergleich zu normalen LEDs sehr gering. Sobald der Entwicklungstand (derzeitige Forschungsprojekte OLLA und OLED100) bei den OLEDs allerdings die Lebensdauern und Lichtausbeuten der normalen LEDs erreicht, wird sich ihnen in der industriellen Bildverarbeitung ein breites Anwendungsfeld erschließen. OLEDs sind nämlich kostengünstiger zu produzieren als klassiche LEDs und können im Prinzip auf jede Oberfläche gedruckt werden bei frei wählbarer Form. ([3] S. 140 - 141 & [7])

Laser

Abbildung 16: Aufbau einer Laserdiode
Abbildung 17: Quadratisches Lasermuster

In der industriellen Bildverarbeitung werden auf Grund der geringen benötigten Energiemengen meist nur Diodenlaser (siehe Abb.16) eingesetzt. Diese s.g. Halbleiterlaser beruhen wie die klassischen LEDs auf dem Prinzip der Lichtausstrahlung beim pn-Übergang. Laser liefern sehr schmalbandiges, monochromatisches und kohärentes Licht. Die emittierte Wellenlänge hängt vom verwendeten Material ab. Manche Materialien lassen sich auf mehreren Wellenlängen anregen, die meisten besitzen jedoch eine Zentralwellenlänge auf der sie besonderes viel Lichtleistung liefern. Im Bereich der Diodenlaser sind Varianten mit Lichtleistungen von 1 mW bis hin zu einigen Watt erhältlich.

Besondere Vorteile bieten die Laser im Bereich der Strukturierten Beleuchtung , da mit Hilfe von diffraktiven Elementen und Triangulations-, Lichtschnitts- und Gitterprojektionsverfahren sich diverse Projektionsmuster wie Kreuze, Kreise, Quadrate (sihe Abb. 17), Mehrfachlinien oder Schachbrettmuster etc. erzeugen lassen. Der Betrieb von Lasern ist im Dauerbetrieb (CW-Modus "continous Wave") oder moduliert bis in den Megaherzbereich möglich.

Allerdings werden Laser in der industriellen Bildverarbeitung, abgesehen von der Anwendung bei strukturierter Beleuchtung eher selten eingesetzt. Dies lässt sich durch die hohen Schutzmaßnahmen erklären, die je nach Laserklasse erforderlich sind (DIN EN 60825-1:1994), um das menschliche Auge und den Körper zu schützen. Auf Festkörperlaser und Gaslaser wird meist komplett verzichtet, da sie enorme Lichtleistungen liefern die meist nicht benötigt werden und zudem hohe Schutzmaßnahmen zur Folge haben. Manche Unternehmen verbieten sogar teilweise den Einsatz von Lasern in der Produktion oder lassen ihn nur für die erwähnten Spezialanwendungen zu. ([6] S. 99 - 100 & [5] S. 41 - 42)

Beleuchtungswinkel

Abbildung 18: Beleuchtungsrichtungen im Überblick mit beispielhaften Beleuchtungsergebnissen

Der Winkel in dem das Licht auf das Prüfobjekt fällt bestimmt maßgeblich wie das Bild von der Kamera erfasst wird. Somit ist der Beleuchtungswinkel einer der wichtigsten Faktoren in der industriellen Bildverarbeitung. Man unterscheidet beim Beleuchtungswinkel zum einen Auf- und Durchlicht-Beleuchtungen sowie Hell- und Dunkelfeld-Beleuchtungen (siehe Abb. 18).

Dunkelfeld-Beleuchtung

Abbildung 19: Aufbau einer Dunkelfeld-Auflicht-Beleuchtung
Abbildung 20: Aufbau einer Dunkelfeld-Durchlicht-Beleuchtung

Bei dieser Art der Anordnung zielt das Licht, das von der Oberfläche des Prüfobjektes reflektiert wird am optischen System vorbei, d.h. das Feld ist dunkel. Allein die Streuung an der Oberflächenstruktur des Prüflings führt dazu, dass ein geringer Teil des Lichtes diffus in Richtung der Optik gestreut wird. Somit erscheinen Unebenheit (z.B. Oberflächenfehler) hell.

Je nach Lichtrichtung unterscheidet man zwischen Dunkelfeld-Auflichtbeleuchtung und Dunkelfeld-Durchlichtbeleuchtung.

Dunkelfeld-Auflichtbeleuchtung

Durch im Vergleich zur Reflexion nur schwache Streuung der Lichtstrahlen am Prüfobjekt sind Dunkelfeld-Auflichtbeleuchtungen häufig lichtschwach. Der Lichteinfall unter flachem Winkel über dem Objekt kann durch Dunkelfeldringlichter oder gerichtete Beleuchtung erzeugt werden (siehe Abb. 19).

Anwendung und Vorteile:

  • hervorheben von Konturen, Kratzern, Rissen etc.
  • sowohl gravierte als auch erhabene Strukturen erfassbar
  • für undurchsichtige & durchsichtige Teile geeignet
  • besonders geeignet zur Oberflächenkontrolle, auch an stark reflektierenden Teilen

Die Grenzen der Dunkelfeld-Auflichtbeleuchtung sind immer dann gegeben, wenn Staub, Schmutz, Späne oder dergleichen sich auf dem Prüfobjekt befinden. Für die Bildverarbeitung lässt sich dabei nicht trennen, ob es sich um Schmutz oder die Oberflächenstrukturen handelt.

Dunkelfeld-Durchlichtbeleuchtung

Aus den beschriebenen Gegebenheiten (siehe Dunkelfeld-Auflichtbeleuchtung) ist die Anwendung der Dunkelfeld-Durchlichtbeleuchtung auf durchsichtige oder zumindest durchscheinende Prüfobjekte begrenzt (siehe Abb. 20). Wie bei der Dunkelfeld-Auflichtbeleuchtung erscheinen die Oberflächenmerkmale als helle Details auf dunklem Hintergrund.

Anwendung und Vorteile:

  • durchscheinende Prüfobjekte wie Glas oder Plastik
  • sehr geringer Abstand zwischen Prüfobjekt und Optik möglich

Hellfeld-Beleuchtung

Abbildung 21: Aufbau einer Hellfeld-Auflicht-Beleuchtung
Abbildung 22: Aufbau einer Hellfeld-Durchlichtbeleuchtung

Bei dieser Art der Anordnung zielt das Licht, das von der Oberfläche des Prüfobjektes reflektiert wird direkt ins optische System, d.h. das Feld ist hell. Im Gegensatz zur Dunkelfeldbeleuchtung erscheinen Fehler in der Oberflächenstruktur somit dunkel und nicht hell.

Je nach Lichtrichtung unterscheidet man zwischen Hellfeld-Auflichtbeleuchtung und Hellfeld-Durchlichtbeleuchtung.

Hellfeld-Auflichtbeleuchtung

Beim Hellfeld mit Auflichtbeleuchtung aus Richtung der Kamera wird das Licht direkt vom Prüfobjekt zurück in die Beobachtungsrichtung reflektiert. Es ergibt sich ein gleichmäßiges helles, gut kontrastiertes Bild, welches sich durch koaxial eingespiegelte Beleuchtung realisieren lässt (siehe Abb. 21).

Anwendung und Vorteile:

  • für undurchsichtige & durchsichtige Teile geeignet (Glas, Metall, Kunststoffe)
  • auch für raue, wenig reflektierende Oberflächen geeignet

Hellfeld-Durchlichtbeleuchtung

Beim Hellfeld mit Durchlichtbeleuchtung ist die Kamera genau gegenüber der Beleuchtung angeordnet und somit wird bei diesem System direkt abgebildet. Durch Absorption am Prüfobjekt ergibt sich ein gleichmäßig helles, kontrastscharfes Bild mit nahezu binären Eigenschaften.

Anwendung und Vorteile:

  • undurchsichtige & durchsichtige sowie flache & räumliche Teile
  • oft in Kombination mit diffuser oder telezentrischer Beleuchtung
  • zur Überprüfung von Bohrungen geeignet
  • bevorzugte Beleuchtungstechnik bei Anwesenheitskontrolle (binäres Bild)


Lichtausbreitung und Geometrie

Diffuse Beleuchtung

Abbildung 23: Direkte und diffuse Beleuchtung im Vergleich

Diffuse Beleuchtung besitzt idealerweise keine Vorzugsrichtung, sie strahlt also in alle Richtungen des Raumes die gleiche Leuchtdichte aus (siehe Abb. 23). Diffuse Beleuchtungen werden eingesetzt um örtlich möglichst gut homogen zu beleuchten. Erreicht wird die difuse Beleuchtung durch transparente Diffusor, die das Licht dämpfen und streuen.

Anwendung und Vorteile:

  • gleichmäßige Durchlichtbeleuchtung für undurchsichtige Teile
  • gleichmäßige Auflichtbeleuchtung für glänzende, geschliffene, sandgestrahlte Teile
  • kontrastmäßige Unterdrückung flacher Oberflächenstrukturen

Ein Nachteil der diffusen Beleuchtung ist die Dämpfung durch den Diffusor und die somit geringere Lichtintensität gegenüber direkter Beleuchtung.

Direkte Beleuchtung

Von direkter Beleuchtung spricht man, wenn die Strecke zwischen Lichtquelle und Prüfobjekt nicht unterbrochen wird. Der Vorteil dieser Beleuchtungsart liegt somit in der hohen Lichtintensität, die auf das Prüfobjekt trifft. Allerdings können bei dieser Beleuchtungsart durch die zumeist punktförmigen Beleuchtungsmittel Lichtflecke oder helle Stellen in der Mitte des Prüfobjektes entstehen (siehe Abb. 23). Dieser Effekt ist in der Regel unerwünscht und daher wird meist direkt auf Beleuchtungen zurückgegriffen die gleichmäßig ausleuchten.

Fokussierte Beleuchtung

Abbildung 24: Beispiel einer fokussierten Beleuchtung

Bei fokussierter Beleuchtung liegt der Schwerpunkt auf der Abstrahlcharakteristik. Hier können Beleuchtungen zu Punkt-, Linien- aber auch Kugel- oder Keulenformen fokussiert werden. Durch die Überlagerung mehrerer gerichteter Einzellichtquellen kann die Lichtstärke konzentriert werden sowie eine homogene Helligkeitsverteilung innerhalb des Leuchtbereiches erreicht werden. Fokussierte Beleuchtungen eigenen sich besonders, wenn nur spezielle Teilgebeite eines Prüfobjektes beleuchtet werden sollen. Hierbei kommen oft LED-Arrays mit Fokussier- oder Stablinsen zum Einsatz.

Anwendung und Vorteile:

  • gezieltes Hervorheben von Kanten und Oberflächenstrukturen durch Schattenbildung
  • gezielte Übersteuerung zur lichttechnischen Bildvorverarbeitung (keine irrelevanten Informationen mehr im Bild)
  • für Hochgeschwindigkeitsanwendungen geeignet in Kombination mit Zeilenkameras

Kollimierte Beleuchtung

Bei kollimierter Beleuchtung sind alle Lichtstrahlen der Lichtquelle parallel gerichtet. Die bekannteste Quelle von kollimiertem Licht ist die Sonne, deren Strahlen auf Grund der großen Entfernung als parallel angesehen werden können. In der industriellen Bildverarbeitung nutzt man häufig Richtlinsen um diesen Effekt zu erhalten. Diese so gerichteten Lichtstahlen werden auch als unendlich fokussiert bezeichnet. Sie liefern sehr gute Bilder auf denen sogar fließende Kantenübergänge kontrastreich abgebildet werden.

Telezentrische Beleuchtung

Diese Beleuchtungsart ist eine Sonderform der gerichteten Beleuchtung mit starker Richtcharakteristik. Anwendung findet diese Beleuchtung ausschließlich im Durchlicht. Telezentrische Beleuchtungen liefern eine sehr homogene und kontrastreiche Ausleuchtung des Gesichtsfeldes. Sie müssen dazu aber immer in Kombination mit telezentrischen Objektiven angewendet werden.

Anwendung und Vorteile:

  • unempfindlich gegen Schwingungen und Justierfehler
  • geeignet für schwierige Prüfobjekte (glänzende Teile, Glas, verschieden hohe Teile), die hochgenau erkannt oder vermessen werden müssen

Strukturierte Beleuchtung

Abbildung 25: Beispiel einer strukturierten Beleuchtung
Abbildung 26: Beispiel einer Ausrichtungsaufgabe mittels Laserstrahls

Bei strukturierter Beleuchtung werden ausschließlich Laser-Lichtquellen genutzt deren Licht in Strukturen wie Punkt, Punktgitter, Linie, Liniengitter, Kreis, konzentrische Kreise oder Quadratraster moduliert werden können. Fällt das strukturierte Licht unter einem Winkel zur optischen Achse des Beobachtungssystems auf das Prüfobjekt, werden die Lichtstrukturen deformiert auf dem auf Prüfobjekt abgebildet. Aus der Größe und Form der Deformation lassen sich Informationen über die Höheneigenschaften des Prüfobjektes gewinnen (siehe Abb. 25). Strukturierte Beleuchtungen ermöglichen somit die Erfassung räumlicher Informationen aus einem zweidimensionalen Bild. Um Fremdlicht auszufiltern werden vor der Kamera meist Bandpassfilter angebracht, die nur die Wellenlänge des reflektierten Laserlicht durchlassen.

Varianten:

  • 0-dimensionale Lichtstruktur (z.B. Lichtpunkt):
    • mittels Triangulationsverfahren liefert punktförmige Höheninformationen
  • 1-dimensionale Lichtstruktur (z.B. Lichtlinie):
    • mittels Lichtschnittverfahren liefert topografische Linie ("Schnitt")
  • 2-dimensionale Lichtstruktur (z.B. Lichtgitter):
    • mittels Gitterprojektionsverfahren, Phasenshiftverfahren liefert dichte Rauminformationen

Anwendung:

  • Erkennung von Deformationen oder Fremdkörpereinschluss
  • Ausrichtungsaufgaben (Werkzeug- oder Bauteil-Justierung) (siehe Abb. 26)
  • Lebensmittelindustrie
  • medezintechnische Einsatzgebiete

Ausblick: Weitere Einflussfaktoren auf die Bildverarbeitung

Oberfläche des Prüfobjektes

Um qualitativ hochwertige Bilder aufzunehmen und die nachfolgende Bildverarbeitung so einfach wie möglich zu gestalten, ist die Wechselwirkung von Beleuchtung und Prüfobjekt von entscheidender Rolle.

  • glänzende Oberflächen
    • haben meist ungewünschte Reflexionen zur Folge. Abhilfe bringen hier großflächige Diffus-Kreis-Beleuchtungen, welche die gesamte Oberfläche des Prüfobjektes abdecken.
  • streuende Oberflächen
    • sind meist matte oder stumpfe Oberflächen, die das Licht in alle Richtungen streuen.
  • unebene Oberflächen
    • führen meist zur ungewollten Schattenbidlung auf dem Prüfobjekt. Um diese zu vermeiden, kann der Prüfling aus verschiedenen Winkeln beleuchtet werden.
  • wellenförmige Oberflächen
    • führen zu einer Vielzahl von direkten Reflexionen, welche die anschließende Bildanalyse erschweren. Um dies zu vermeiden kann man Advanced-Koaxial- oder Dome-Beleuchtung einsetzen. ([5] S. 51 - 52)

Filterung von Beleuchtungsquellen

  • Farbfilter
    • auch als Cut-off-Filter bekannt, da sie bis zu einer bestimmten Wellenlänge breitbandig lichtundurchlässig sind.
  • Interferenzfilter
    • sind optische Filter, die bestimmte Wellenlängenbereiche durch Interferenz aus einem Spektrum auslöschen. Ausführungen sind sowohl als Band- sowie als Lang- und Kurzpassfilter möglich.
  • Polarisation
    • dient der Änderung der Schwingungsrichtung der elektrischen Feldstärke. Durch den Einsatz eines Polarisators ist das Licht idealerweise linear polarisiert. Polarisationsfilter dienen oft der Unterdrückung ungewünschter Reflexionen. ([2] S. 80 - 81)

Abbildungsverzeichnis

Abb.-Nr. Abbildung Quelle
1 V-Lambda-Kurve http://de.wikipedia.org/wiki/V-Lambda-Kurve
2 Mittlere Lebensdauer [3] S. 66
3 Nutzlebensdauer [3] S. 67
4 Spektrum Glühlampe [3] S. 68
5 Betriebskennlinie der Halogenglühlampe [3] S. 79
6 Betriebskennlinie einer Leuchtstofflampe [3] S. 93
7 Spektrum einer Natriumdampf Niederdrucklampe [3] S. 108
8 Spektrum einer Natriumdampf Hochdrucklampe [3] S. 113
9 Spektrum einer Quecksilberdampf-Hochdrucklampe [3] S. 117
10 Spektrum einer Halogen-Metalldampflampe [3] S. 121
11 Aufbau einer LED [3] S. 133
12 Farbvarianten von LEDs [6] S. 96
13 Temperaturabhängigkeit des Lichtstroms von LEDs [3] S. 135
14 Passive Kühlmaßnahmen an einem LED-Modul [5] S. 40
15 Aktive Kühlmaßnahmen an einem LED-Modul [5] S. 41
16 Aufbau einer Laserdiode http://www.martin-mandl.com/da/ld6.gif
17 Quadratisches Lasermuster [5] S. 51
18 Beleuchtungsrichtungen im Überblick [5] S. 43
19 Aufbau einer Dunkelfeld-Auflicht-Beleuchtung [5] S. 45
20 Aufbau einer Dunkelfeld-Durchlicht-Beleuchtung [5] S. 46
21 Aufbau einer Hellfeld-Auflicht-Beleuchtung [5] S. 45
22 Aufbau einer Hellfeld-Durchlichtbeleuchtung [5] S. 46
23 Direkte und diffuse Beleuchtung im Vergleich [5] S. 50
24 Beispiel einer fokussierten Beleuchtung [5] S. 50
25 Beispiel einer strukturierten Beleuchtung [5] S. 51
26 Beispiel einer Ausrichtungsaufgabe mit Hilfe eines Laserstrahls [5] S. 51

Literaturverzeichnis

[1] Bauer (2007) Bauer, Norbert: Handbuch zur industriellen Bildverarbeitung - Qualitätssicherung in der Praxis, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2007
[2] Jahr (2003) Jahr, Ingmar: Lexikon der industriellen Bildverarbeitung, 1. Auflage, Spurbuchverlag, Baunach 2003
[3] Ris (2008) Ris, Hans Rudolf: Beleuchtungstechnik für Praktiker, 4. Auflage, VDE Verlag GmbH,Berlin 2008
[4] Hentschel (2002) Hentschel, Hans-Jürgen: Licht und Beleuchtung - Grundlagen und Anwendung der Lichttechnik, 5. Auflage, Hüthig Verlag, Heidelberg 2002
[5] Stemmer (2010) Stemmer Imaging GmbH: Handbuch der Bildverarbeitung, Stemmer Imaging GmbH, Puchheim 2010
[6] Hornberg (2006) Hornberg, Alexander: Handbook of Machine Vision, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, Weinheim 2006
[7] http://www.lichtnews.de/durchbruch-rekord-oleds-stechen-leuchtstoffrohren-aus/
[8] http://oled100.eu/homepage.asp
[9] http://www.olla-project.org/