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Beleuchtungstechniken für die industrielle Bildverarbeitung

Bei der Realisierung einer Bildverarbeitungs-Lösung ist die Auswahl der geeigneten Beleuchtung ausschlaggebend für die Qualität der Bildaufnahme und kann damit gleichzeitig auch die anschließende Bildauswertung stark vereinfachen. Dennoch zählt die Entscheidung über die Lichtquelle häufig zu den komplizierteren und gerne vernachlässigten Problemstellungen in der Bildverarbeitung.

Bildverarbeitungs-Systeme bestehen meistens aus einer Kamera bzw. einem Sensor und einer Verarbeitungseinheit (z.B. einem Rechner mit Bilderfassungskarte und Auswerte-Software). Auch so genannte intelligente Kameras werden gerne als Bildverarbeitungs-System bezeichnet. Neben diesen offensichtlichen Komponenten spielt jedoch auch die Beleuchtung eine entscheidende Rolle. Da ja mit Hilfe der Bildverarbeitung genau genommen nicht das Objekt selbst, sondern das visuelle Abbild des Objekts geprüft wird, müssen stabile und reproduzierbare Beleuchtungs-Bedingungen vorliegen, um ein gleichbleibendes Abbild eines identischen Objekts bzw. identische Bedingungen für die Untersuchung von Objekten zu ermöglichen. Schwankende Beleuchtungs-Situationen sind also zu vermeiden, wenn man strenge Qualitätskriterien bei der Überprüfung seiner Objekte zugrunde legen möchte.

Nur wenn es möglich ist, die gewünschten Prüfmerkmale oder Fehler mit genügend Kontrast zu visualisieren, können diese anschließend per Bildverarbeitungs- Software ausgewertet werden. In der Regel wird dazu das Objekt durch eine Lichtquelle beleuchtet. Ausnahmen stellen hier z.B. selbst leuchtende Prüfobjekte dar. Das Prinzip Prüfobjekt wird beleuchtet klingt sehr banal, doch die Praxis zeigt, dass eine der Hauptschwierigkeiten in der Bildverarbeitung darin besteht, den Fehler am Objekt für die Kamera überhaupt erst sichtbar zu machen.

Anwendungen

Anwendungsfälle, die eine geeignete Form der Beleuchtung erfordern, sind z.B. eine transparente Glasflasche, deren Glasprägeschrift im Flaschenboden gelesen werden soll. Prüfobjekt und Merkmale sind also aus gleichem, noch dazu durchsichtigem Material! Auch ein Kratzer auf einer metallischen Oberfläche bringt meist keine weitere Veränderung als eine Vertiefung mit sich, die erkannt werden soll. Auch dies ist eine Prüfsituation, wo Fehler trotz identischen Materials erkannt werden sollen. Gleiches gilt auch bei Prägungen und Ausformungen in Werkstoffen.

Die Schlüsselrolle fällt dabei dem Licht mit seiner Wechselwirkung in einer Dreierkette von Beleuchtung, Körper und Kamera zu (siehe Bild 1).

Bild 1: Mit Hilfe der Bildverarbeitung wird nicht das Objekt selbst, sondern das visuelle Abbild des Objekts geprüft.

Oftmals ermöglicht erst die geschickte Ausnutzung der Eigenschaften von geeigneter Lichtquelle, Prüfobjekt und Kamera die Lösung schwieriger Applikationen. Entscheidende Eigenschaften sind dabei:

Da die Körpereigenschaften des Prüfobjekts nur in Ausnahmefällen (z.B. durch Teileeinfärbungen oder UV-aktive Farbstoff-Beimischungen) beeinflussbar sind, bedingt das Objekt die zu wählende Beleuchtung sowie den Kameratyp. Das Anschlussgewinde der Kamera sowie der Arbeitsabstand zum Objekt definieren die Optik. Durch das Datenformat und die Datenrate bestimmt die Kamera zudem die Bilderfassungskarte.

Verschiedene Lichtquellen

Bild 2: Beispiele von LED-Ringleuchten

Das in Bildverarbeitungs-Anwendungen eingesetzte Licht wird auf unterschiedlichste Arten erzeugt. Je nach Problemstellung, Lichtbedarf, Objektgröße, Einbaumaße werden dabei meist verwendet:

  • LED-Beleuchtungen (siehe Bild 2)
  • Metall-Halid-Leuchtquellen („Kaltlichtquellen“ mit Glasfaserübertragung, siehe Bild 3)
  • Laser-Beleuchtungen
  • Fluoreszenzlicht (Hochfrequenz)
  • Halogenglühlampen

Bild 3: Beispiel einer Metall-Halid-Kaltlichtquelle

Seit einigen Jahren nimmt der Anteil an LED-Beleuchtungen im Vergleich zu anderen Lichtquellen deutlich zu. Zurückzuführen ist dieser Trend auf die Vielzahl an Vorteilen, welche die LED-Technologie bietet. Diese liegen unter anderem in der deutlich höheren Lebensdauer von bis zu 50.000 Stunden, einer einfachen Ansteuerung, ihrer mechanischen Robustheit, ihren kleinen Abmessungen, dem sehr flexiblen Design von Beleuchtungs-Bauformen sowie den geringeren Betriebskosten und einem ausgezeichneten Preis/Leistungsverhältnis. Im Bereich von Ringleuchten und ähnlichen Beleuchtungs-Bauformen hat sich die LED daher inzwischen bereits als am häufigsten eingesetztes Leuchtmittel etabliert.

Bild 4: Kaltlichtquelle Volpi IntraLED 2020 auf LED-Basis

Auch im Bereich faseroptischer Beleuchtungen, wo bislang vor allem Kaltlichtquellen auf Halogen- oder Metall-Halid-Basis eingesetzt wurden, scheint die LED nun ihren Siegeszug fortzusetzen. Als einer der bekanntesten Hersteller von Kaltlichtquellen hat das Schweizer Unternehmen Volpi kürzlich eine LED-basierte Kaltlicht-Beleuchtung vorgestellt, bei der LEDs anstelle von Metall-Halid-Lampen zur Lichterzeugung eingesetzt werden (siehe Bild 4). Diese neuartige LED-Lichtquelle verknüpft somit die Vorteile der LED mit denen der faseroptischen Beleuchtungen.

Laser-Beleuchtungen nehmen in der Bildverarbeitung eine Sonderstellung ein. Mittels einer von einem Laser erzeugten Lichtstruktur und einer Kamera mit nachgeschalteter Bildauswertung lassen sich bei bekanntem Winkel zwischen Kamera und Objekt Höhenunterschiede und Profile an einem zu prüfenden Objekt vermessen (siehe Bild 5).

Bild 5: Prinzip der Laserlicht-Schnittsmessung

Bild 6: Beispiel-Applikation mit Laser-Beleuchtung: Optische Prüfung elektronischer Bauteile

Die Kombination von Lasern und Bildverarbeitung bietet interessante Ansätze für vielfältige Anwendungen in verschiedensten Branchen (Beispiel siehe Bild 6).

Beleuchtungen mit Fluoreszenzlicht und auf Basis von Halogenglühlampen werden in der Bildverarbeitungs-Praxis relativ selten eingesetzt. Sie machen meist nur in Spezialanwendungen Sinn und werden daher hier nicht näher betrachtet.

 

Da ist Farbe im Spiel

Im alltäglichen Leben sehen Menschen meist Objekte, die mit „weißem“ Licht beleuchtet werden (Sonnenlicht, Lampen). Auch in der Bildverarbeitung wird weißes Licht häufig zur Beleuchtung herangezogen. Je nach Anwendungsfall kommen aber auch andere Lichtfarben zum Einsatz. Häufig wird dabei Rot eingesetzt. Den Grund dafür macht folgendes Beispiel eines Etiketts auf einer Getränkeflasche klar: Der Mensch sieht ein farbiges Etikett mit dunkelblauem und rotem Schriftzug (s. Bild 7).

Für die in der Bildverarbeitung am häufigsten eingesetzten Schwarz/Weiß- Kameras (auch Monochrom-Kameras genannt) „sieht“ das Etikett wie eine Photokopie aus: Rot und Blau sind zu Grau geworden, der Rest ist hell bzw. Weiß (siehe Bild 8).

Beleuchtet man dieses Etikett nun mit rotem Licht, z.B. mit roten LEDs, so erscheinen rote, weiße und graue Elemente für eine Farbkamera in Rot, während blaue und schwarze Elemente Schwarz bzw. Grau aussehen (Bild 9). Der Grund hierfür ist, daß das monochromatische rote Licht der LED von den roten, weißen und grauen Elementen reflektiert wird, nicht jedoch von den blauen und schwarzen Elementen.

Bild 7: Etikett für das menschliche Auge

Bild 8: Bild einer Monochrom-Kamera

Bild 9: Etikett mit roter Beleuchtung

Bild 10: Etikett-Prüfung mit Monochrom-Kamera

Möchte der Anwender also in diesem Beispiel nur den richtigen Aufdruck des Schriftzuges „Pepsi“ prüfen, wären eine Farbkamera und eine rote Beleuchtung gut geeignet, um die nicht zu überprüfen Elemente allein durch die Beleuchtungswahl zu reduzieren.

Interessanterweise läßt sich die gleiche Information jedoch auch mit einer roten Beleuchtung und einer (in der Regel preisgünstigeren) Monochrom-Kamera erzielen, wie Bild 10 belegt.

Beleuchtungstechniken

Auch der Einfallswinkel des Lichtes auf dem Objekt beeinflusst das Ergebnis. Man spricht von verschiedenen Techniken wie Auflicht oder Durchlicht, direktes oder diffuses Licht, Hell- oder Dunkelfeldbeleuchtung. Die Bilder 11 bis 15 zeigen einige Beispiele dafür, wie unterschiedlich ein Objekt je nach Aufbau der Beleuchtung aussehen kann!

  • Direktes Auflicht (Eine Ringleuchte leuchtet direkt auf das Objekt, mehr oder weniger parallel zur optischen Achse der Kamera). Das Bild erscheint sehr inhomogen und fleckig. (Bild 11)

  • Diffuse Hellfeld-Beleuchtung: Das Bild erscheint homogener. Ein starker Kontrast zwischen Objekt und Hintergrund ist vorhanden, jedoch überstrahlt die glänzende Oberfläche des Steckers die Kamera, d.h. die Kamera ist „geblendet“ und erkennt manche Details nicht mehr. Weiterhin bilden sich im oberen Teil des Steckers Schatten. (Bild 12)

  • Diffuse Dunkelfeld-Beleuchtung: Schräg einfallendes Licht einer Ringleuchte mit einem Winkel zwischen Auflicht und Objekt. Mehr Details im Stecker sind sichtbar, es treten keine Schatten auf. (Bild 13)

Bild 11: Direktes Auflicht auf das Objekt

Bild 12: Diffuse Hellfeld-Beleuchtung

Bild 13: Diffuse Dunkelfeld-Beleuchtung



  • Dunkelfeld-Beleuchtung: Lichteinfall flach in der Objektebene. Obere Kanten von Pins, Stecker und Bohrungen bilden helle Kreise und sind damit für eine Auswerte-Software gut erkennbar. Der fehlende Pin (kein heller Kreis) und der gebogene Pin (falsche Position) sind im Gegensatz zur Auflichtbeleuchtung besser sichtbar. (Bild 14)

  • Durchlichtverfahren: Licht wird von der Rückseite des Objekts in Richtung der Kamera gerichtet. Nur wo kein Hindernis ist, scheint das Licht durch. So können die Bohrungen auf jeder Seite des Steckers gut gemessen werden. An Stelle des fehlenden Pins befindet sich ein leicht erkennbarer heller Fleck. (Bild 15)

Bild 14: Dunkelfeld-Beleuchtung

Bild 15: Durchlichtverfahren

Fünf verschiedene Beleuchtungen führen somit zu fünf unterschiedlichen Ergebnissen!

Fragen Sie die Experten!

Dieser kleine Einstieg in die Welt der industriellen Beleuchtungs-Technik zeigt also schon, dass die Wahl der optimalen Beleuchtung erst nach genauer Definition der Aufgabe erfolgen kann und häufig viel Erfahrung erfordert. Um sich zeitaufwändige Tests zu ersparen, gibt es für Anwender einen einfacheren Weg:

STEMMER IMAGING ist Europas größter Technologie- und Service-Lieferant für die Bildverarbeitung und führt unter anderem eine große Palette von mehreren Hundert universellen und speziellen Beleuchtungen von weltweit führenden Herstellern wie CCS und Volpi im Programm. Mit unserer langjährigen Erfahrung finden wir sicher auch für Ihre Aufgabenstellung der industriellen Bildverarbeitung die optimale Beleuchtungs-Lösung!