Neue Inspektionsaufgaben fordern neue Lösungen heraus. Sowohl kurze Taktzeiten als auch schnell bewegte Teile können nur mit sehr kurzen Bildaufnahmezeiten überwacht werden, in der die Kamera die qualitätsentscheidenden Informationen sehen muss. Viel Licht muss in dieser Zeit vom Objekt auf den Bildaufnehmer gelangen.
Dr.-Ing. habil. N. Schuster, Vision & Contol, Suhl
Immer wieder Auflicht
Die praxistaugliche Machine-Vision-Lösung muss von den Eigenschaften des Objekts ausgehen und den Einbaubedingungen an der Maschine Rechnung tragen.
Nur im Ausnahmefall sind Durchlichtanordnungen möglich, bei denen das Prüfobjekt zwischen der Beleuchtung und der Bildaufnahmeeinheit angeordnet ist. Durchsichtige und durchscheinende Objekte haben hier gute Chancen, während undurchsichtige Objekte nur nach ihrem Schattenriss beurteilt werden können.
Und was ist mit der Zuführmechanik für die Prüfobjekte, die nur mit erheblichem Aufwand lichtdurchlässig ausgeführt werden können? Wie verfälschen sie das aufgenommene Bild? Oft sind es diese Einbaubedingungen, die die Installation des gesamten Inspektionssystems auf einer Seite des Prüfobjektes erzwingen. Der Machine-Vision-Praktiker fasst diesen Lösungsansatz unter dem Begriff Auflicht zusammen: Beleuchtungs- und Abbildungssystem befinden sich auf derselben Seite des Prüflings.
Hellfeld oder Dunkelfeld?
Klarheit in die oft konfuse Begriffswelt bringt ein ebener Spiegel, den man sich anstelle des zu inspizierenden Objektes vorstellen muss. Gelangt das Licht von der Beleuchtung über den gedachten Planspiegel durch das Objektiv zum Bildaufnehmer, handelt es sich um eine Hellfeldbeleuchtung. Ihre bekannteste Art ist die koaxiale Auflichtbeleuchtung, die sich sehr gut bei diffus reflektierenden Objektszenen bewährt. Die Lichtabstrahlung erfolgt nahezu parallel zur Achse des Abbildungssystems. Beispiele aus dem vicolux-Sortiment sind die Serien RK und ALKD.
Glänzende Oberflächen, spiegelnde Folien und scharfe Kanten stellen besondere Ansprüche an eine zweckmäßige Beleuchtung. Sie erzeugen bei Hellfeldanordnungen übersteuerte Bereiche auf dem Bildaufnehmer (vgl. Bild 2). Der Praktiker weiß sich gegen diese störenden Reflexe mit Dunkelfeldanordnungen zu wehren.
Von Dunkelfeldbeleuchtung spricht man, wenn das Licht so einfällt, dass bei einem ebenen Spiegel als Objekt kein Licht zum Bildaufnehmer gelangt. Das sind beispielsweise Ringbeleuchtungen, deren Lichtabstrahlung fast senkrecht zur Achse des Abbildungssystems erfolgt. Beispiele aus dem vicolux-Sortiment sind die Serien RR.
Neue Herausforderungen
In der Hell- und Dunkelfeld-Definition versteckt sich die Komplexität der Beleuchtungsproblematik: Sie ist immer in der Einheit von Beleuchtung mit komplettem Abbildungssystem zu testen. Vision Control als der Komponentenanbieter für die Machine-Vision praktiziert diese Einheit.
Für die inzwischen als klassisch etablierten Beleuchtungssysteme wie telezentrische Beleuchtungen, diffuse Leuchtplatten, rechteckige LED-Arrays oder Ringbeleuchtungen mit diffuser, klarer oder Fresnellinsen-Abdeckung wird ein umfangreiches Sortiment in unterschiedlichen Baugrößen, Farben und Zeitregimes angeboten. Diese Komponenten sind an die Abbildungssysteme angepasst und in deren Zusammenspiel erprobt. Die Befestigungsmöglichkeiten sind so gewählt, dass funktionell notwendige Verbindungen vom Kunden leicht zu installieren sind.
Eine Million Lux im Dunkelfeld
Die neu aufgenommene Serie von Beleuchtungen mit der Bezeichnung RW hat sich die Aufgabe gestellt, extrem viel Licht auf kleiner Fläche zu konzentrieren. Typische Anwendungsfälle sind Bestückungsautomaten für Leiterplatten, wo die Lage und das Vorhandensein der elektronischen Bauelemente auf dem Gurt in sehr kurzer Bildfolge zu prüfen ist. Zur Befestigung nutzen diese Beleuchtungen Schwalbenschwanzprofile kompatibel zu Fa. Montech.
Die klaren LEDs in 5 mm-Bauform mit geringem Abstrahlwinkel sind auf der Mantelfläche eines Kegelstumpfes angebracht. Der Kegelstumpf hat eine zentrierte Bohrung, durch die das Abbildungssystem hindurch auf das Objekt schaut (vgl. Bild 3). Die Rotationsachse des Kegelstumpfes bildet gleichzeitig die optische Achse des Abbildungssystems. Jede einzelne LED konzentriert ihren Strahlungsfluss in einem schmalen Strahlenkegel, dessen Symmetrieachse sich mit der optischen Achse schneidet. Um diesen Schnittpunkt herum addieren sich die Strahlungsflüsse sämtlicher LEDs zum hellsten Fleck (vgl. Bild 4). Dessen Durchmesser ist durch den Abstrahlwinkel der LEDs und durch den freien inneren Durchmesser der Beleuchtung festgelegt. Objektfelder bis 20 mm Durchmesser lassen sich bequem sehr hell ausleuchten.
Die erreichbare Beleuchtungsstärke im hellsten Fleck hängt in erster Linie von der Lichtstärke der verwendeten LEDs ab. Wird durch Blitzbetrieb die Lichtstärke kurzzeitig weiter erhöht, sind gegenwärtig Beleuchtungsstärken bis zu zwei Millionen Lux erreichbar. Die Blitzdauer ist zwischen 1 µs und 100 µs einstellbar. Im statischen Betrieb werden mit der Beleuchtung RW 1435-W gegenwärtig etwa 200 000 Lux erreicht.
Wird der innere freie Durchmesser für den Kameradurchblick vergrößert, können mehr LEDs auf dem Kegelmantel angebracht werden. Andererseits erhöht sich dann der Abstand von der optischen Achse. Hier beschreibt das quadratische Entfernungsgesetz in zweckmäßiger Weise die Verringerung der Beleuchtungsstärke durch jede einzelne LED. Statt eines theoretischen Optimums diktieren in der Praxis die Einbaubedingungen die konkrete Ausführung einer solchen Beleuchtung. Ausgehend vom zu inspizierenden Objektfeld wird es immer darum gehen, so viele LEDs wie möglich um den inneren freien Durchmesser herum anzuordnen.
Vision & Control, Suhl
QE 524
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