Beleuchtungen stehen bei der Auswahl der optimalen Komponenten für ein Bildverarbeitungssystem am Anfang der Technologiekette. Ihre Bedeutung für die Qualität der aufgenommenen Bilder und die spätere Bildauswertung wird häufig unterschätzt. Wie vielfältig die Optionen und Technologien für die Realisierung perfekter Beleuchtungssysteme sind, lesen Sie hier.
Vielfältige Parameter beeinflussen die Qualität eines Bildverarbeitungssystems. Der Auswahl der eingesetzten Kamera wird dabei fälschlicherweise oft die alleinige, ausschlaggebende Bedeutung beigemessen. Eigenschaften wie Kameraauflösung oder -geschwindigkeit sind wichtig, um die gewünschte Bildqualität und den benötigten Datendurchsatz zu ermöglichen, doch dieses Ziel ist nur mit einer durchgängig aufeinander abgestimmten Technologiekette aus Beleuchtung, Optik, Kamera und Bildauswertung inklusive Bilderfassungs-Hardware, Software und Rechnerleistung erreichbar. Ist die Beleuchtung dabei nicht optimal auf die vorliegenden Randbedingungen abgestimmt, steigt der Aufwand, der in Kameratechnik und/oder die Auswertungssoftware zu stecken ist, um ein Vielfaches.
Grundlage für die Auswahl von Beleuchtungen ist zunächst eine Einordnung des Wellenlängenspektrums. Der für das menschliche Auge sichtbare Wellenlängenbereich von etwa 400 bis 700 nm ist nur ein kleiner Ausschnitt des gesamten Spektrums, das von der Röntgenstrahlung mit rund 10-8 µm bis hin zu Radiowellen mit rund 103 m reicht.
Der für das menschliche Auge sichtbare Wellenlängenbereich ist nur ein kleiner Ausschnitt des gesamten Spektrums von Röntgenstrahlung bis Radiowellen
Die Sensoren üblicher Industriekameras sind vereinfacht gesagt auf eine Empfindlichkeit etwa im Bereich des menschlichen Sehens ausgelegt, um Bildverarbeitungssysteme im sichtbaren Spektrum zu ermöglichen. In den vergangenen Jahren haben sich zudem Kameras mit UV- und IR-empfindlichen Sensoren etabliert, mit denen die Grenzen von Vision-Systemen erweitert wurden. Essenziell für entsprechende Systeme ist dabei der Einsatz von Beleuchtungen, die Licht mit passenden Wellenlängen aussenden, denn die Sensoren der eingesetzten Kameras nehmen die Reflektionen vom Objekt nur innerhalb der Grenzen ihrer Wellenlängenempfindlichkeit auf.
Beleuchtungsart richtig wählen
Ein zweiter, ebenso wichtiger Aspekt eines Beleuchtungssystems ist seine Beleuchtungsart. Eine der einfachsten und am häufigsten verwendeten Methoden ist dabei die Auflichtbeleuchtung, bei der das Licht direkt auf das Objekt gerichtet wird, wodurch klare Schatten und starke Kontraste entstehen. Diese Methode eignet sich besonders gut für die Erkennung von Oberflächenmerkmalen. Allerdings kann sie auch zu unerwünschten Effekten wie direkten Reflexionen führen, die die nachfolgende Bildanalyse erschweren.
Diffuse Beleuchtungen verteilen das Licht gleichmäßig über das Prüfobjekt und minimieren dadurch Reflexionen und Schatten. Diese Technik eignet sich unter anderem für die Ausleuchtung komplexer Oberflächen mit unregelmäßigen Strukturen oder glänzender Materialien. Beim Einsatz diffuser Beleuchtungen erscheinen die Oberflächenmerkmale oft sanfter als im direkten Auflicht, was die Erkennung subtiler Fehler oder Merkmale erleichtert.
Je nach Anwendung erfordern Bildverarbeitungssysteme unterschiedliche Beleuchtungsformen und -farben
Sollen mit Hilfe eines Bildverarbeitungssystems Löcher oder Strukturfehler erkannt werden, so sind häufig Durchlichtbeleuchtungen eine adäquate Methode. Bei diesem Konzept befindet sich die Lichtquelle hinter dem zu inspizierenden Objekt und erzeugt daher ein Bild, das besonders gut für die Analyse von Konturen und transparenten Materialien geeignet ist. Auch für die Vermessung von geometrischen Merkmalen sind Systeme mit Durchlichtbeleuchtung oft eine gute Option.
Bei Dunkelfeldbeleuchtungen trifft das Licht in einem flachen Winkel auf das Objekt. An fehlerfreien Stellen und bei glatten Oberflächen wird das einfallende Licht hier so reflektiert, dass es von einer oberhalb angebrachten Kamera nicht aufgenommen wird. Gestreutes Licht von Kanten oder Oberflächenfehlern gelangt hingegen in die Kamera und erlaubt somit eine gute Erkennung kleiner Kratzer, Risse oder anderer Oberflächendefekte auf glatten Materialien.
Ein Spezialfall sind koaxiale Beleuchtungen. Bei dieser Technologie wird das Licht über einen halbdurchlässigen Spiegel so geführt, dass es in eine optische Achse mit dem Sensor und dem Objektiv der Kamera kommt. Koaxialbeleuchtungen ermöglichen eine gleichmäßige Ausleuchtung von flachen Oberflächen und ist besonders nützlich, wenn es darum geht, feine Details auf spiegelnden oder reflektierenden Oberflächen zu erfassen.
Die korrekte Farbe entscheidet
Neben der Beleuchtungsart hat auch die Wahl der Beleuchtungsfarbe entscheidenden Einfluss auf die Güte der erzielbaren Bilder und deren Optimierung auf die Erkennbarkeit von Fehlern. Grund dafür ist das unterschiedliche Verhalten von Materialien: Sie reflektieren und/oder absorbieren verschiedene Wellenlängen des Lichts in unterschiedlicher Weise. Der Mensch nimmt ein Objekt als Rot wahr, da er bevorzugt die Wellenlängen reflektiert, die unser Verstand als Rot interpretiert. Die anderen Farben im weißen Licht werden mehr oder weniger stark absorbiert. Für andere Farben gilt dies entsprechend.
Durch die geschickte Wahl der Beleuchtungsfarbe ist es daher möglich, bestimmte Fehler oder Merkmale einfacher zu erkennen. Möchte man beispielsweise auf einer mit verschiedenen Farben bedruckten Fläche rote Elemente überprüfen, so kann der Einsatz einer grünen Beleuchtung hilfreich sein: Grünes Licht lässt die roten Elemente im Kamerabild dunkel erscheinen, wodurch sie je nach Anwendung einfacher zu inspizieren sein können. Verwendet man hingegen rotes Licht, so zeigen sich die roten Flächen im Bild sehr hell, grüne oder blaue Anteile aber sehr dunkel.
Unterschiedliche Lichtfarben erzeugen unterschiedliche Kontraste im Kamerabild: Szene für das menschliche Auge (Bild a), Ergebnisbilder bei Einsatz einer Monochrom-Kamera und weißem Licht (Bild b), rotem Licht (Bild c), rotem und grünem Licht (Bild d), grünem Licht (Bild e) und rotem und blauem Licht (Bild f)
UV-Kameras bieten weitere Optionen
Beim Einsatz von IR- oder UV-Beleuchtungen ergeben sich noch vielfältige weitere Optionen, um die Fehleridentifikation zu optimieren. So ermöglichen beispielsweise Bildverarbeitungssysteme mit Kameras und Beleuchtungen im SWIR-Wellenlängenbereich (Short Wave Infra-Red) eine Erfassung von Merkmalen unterhalb von Objektoberflächen, um z.B. faulige Stellen an Obst beziehungsweise Gemüse zu erkennen oder Füllstände von Flüssigkeiten durch Behälter hindurch zu messen. UV-Kameras finden hauptsächlich Verwendung in Recycling- und Sortieranlagen für Kunststoffe, in der Umweltüberwachung und in wissenschaftlichen Experimenten
SWIR-Bildverarbeitungssysteme ermöglichen die Erfassung von Merkmalen unterhalb von Objektoberflächen
Mit dem Fachwissen von Experten zum optimalen Ergebnis
Beleuchtungsart und -farbe sind nur zwei von vielen weiteren Parametern, die bei der Auswahl der optimalen Beleuchtung für eine spezifische Anwendung berücksichtigt werden müssen. Die Materialeigenschaften, das daraus resultierende Reflektionsverhalten und die Oberflächenstruktur der Prüfobjekte, Umgebungsbedingungen wie wechselnde Tageslichtverhältnisse oder andere Störfaktoren müssen ebenfalls beachtet werden. Zur Beurteilung aller entscheidenden Faktoren sind oft langjährige Erfahrungen erforderlich, auf die nicht jeder Entwickler von Bildverarbeitungssystemen innerhalb seines Unternehmens zurückgreifen kann.
Die Rauscher GmbH Bildverarbeitung ist seit über fünf Jahrzehnten in der Bildverarbeitung tätig und zählt in Deutschland zu den Pionieren dieser Technologie. Das Unternehmen hat in dieser Zeit zahllosen Kunden dabei geholfen, die optimalen Komponenten für ihre Bildverarbeitungssysteme auszuwählen und diese in leistungsfähigen Anlagen einzusetzen. Das Portfolio der in Olching bei München ansässigen Spezialisten deckt durch die enge Partnerschaft mit etablierten Lieferanten alle erforderlichen Bereiche ab: Objektive, Kameras, intelligente Kameras, Framegrabber, PC- und Embedded-Systeme, Kabel, Software und auch ein breites Sortiment an Beleuchtungsprodukten für unterschiedlichste Anforderungen.
Leistungsfähige Systeme mit echten Mehrwerten
„Unser Angebot im Bereich Beleuchtungen umfasst eine Vielzahl unterschiedlichster Bauformen wie Linien-, Ring- oder Spot-Beleuchtungen in Auflicht- und Durchlichtbauweise mit unterschiedlichen Farben, die je nach Modell hochwertiges diffuses oder koaxiales Licht erzeugen“, erläutert Rauscher-Sales Manager Andreas Huber. „Hinzu kommen alle erforderlichen weiteren Komponenten wie Blitz-Controller, mit denen sich die LED-Beleuchtungen exakt ansteuern lassen, sowie natürlich auch die benötigten Netzteile und Kabel zur Realisierung kompletter Beleuchtungssysteme.“
Bereits das Standardangebot der von Rauscher in Deutschland und Österreich vertretenen Beleuchtungspartner Advanced Illumination, Basler, iCore und MBJ ermöglicht die Realisierung leistungsfähiger Systeme, doch die Olchinger Experten bieten einen wesentlichen Mehrwert, so Huber: „Entsprechend der entscheidenden Bedeutung der richtigen Lichtauswahl für ein geplantes -Vision-System nehmen wir uns in enger Zusammenarbeit mit unseren Kunden viel Zeit, um die Anforderungen genau zu analysieren und dann die optimal geeigneten Beleuchtungskomponenten auszusuchen. Hierbei schafft unser eigens eingerichtetes Lichtlabor die perfekten Bedingungen, um in Machbarkeitsuntersuchungen ausführlich zu testen, ob unsere Empfehlungen auch tatsächlich das gewünschte Ergebnis bringen.“
„Zahlreiche Aufgabenstellungen in unterschiedlichsten Einsatzfeldern lassen sich nur durch die optimale Auswahl der Beleuchtung lösen.“ Andreas Huber, Sales Manager, Rauscher
Wenn der Standard nicht passt: spezifisch auf die Anwendung zugeschnittene Lösungen
Falls Beleuchtungen aus dem Standardprogramm eine Aufgabenstellung nicht zur vollen Zufriedenheit des Kunden lösen, so besteht darüber hinaus unter bestimmten Voraussetzungen die Möglichkeit, spezifisch auf die Anwendung zugeschnittene Beleuchtungen zu kreieren. „Wir arbeiten in solchen Fällen sehr eng mit unseren Lieferanten zusammen und haben dadurch schon des Öfteren innovative Beleuchtungs-Sonderlösungen entwickelt, die in der Anwendung den entscheidenden Vorteil gebracht haben“, so Huber.
Die Bedeutung von Beleuchtungen für Bildverarbeitungssysteme hat sich nach Hubers Worten in vielen Projekten immer wieder bestätigt: „Zahlreiche Aufgabenstellungen in unterschiedlichsten Einsatzfeldern konnten nur durch die richtige Auswahl der Beleuchtung oder teilweise auch durch das Hinzufügen geeigneter optischer Filter gelöst werden. Rauscher hat zu allen Bereichen der Bildverarbeitung und speziell im Segment Beleuchtungen langjährige Erfahrungen, von denen unsere Kunden in jedem Fall profitieren.“
Autor: Peter Stiefenhöfer, PS Marcom Services, Olching
Textquelle: Rauscher
Bildquellen: Aufmacher iCore/iStock SweetBunFactory, 01 Advanced Illumination, 02 Advanced Illumination, 03 Advanced Illumination, 04 MBJ/iStock, Porträt/05 Rauscher
