Licht im Blickfeld

Thomas Rampertshammer, Geschäftsbereichsleiter, Laser 2000 GmbH, Wessling

Das Laserlicht ist monochromatisch, von Natur aus sehr lichtintensiv und wird dadurch sehr gut fokussierbar. Die dafür wohl häufigste Anwendung in der Bildverarbeitung zur Qualitätsprüfung ist mit Abstand die Lichtschnittmessung. Bei diesem Prüfverfahren werden eine oder mehrere in der Leistungsverteilung homogen gehaltene Laserlinien auf das Objekt fokussiert. Die Konturen, Kanten und Oberflächen der Geometrie dieses Objektes verändern den an sich geraden und parallelen Verlauf der scharf projizierten Laserlinien. Diese von der Kamera aufgenommene Veränderung wird durch die Software ausgewertet und dadurch eine präzise Information und Beurteilung der zu messenden Szene erreicht. Softwaretechnische Vorgaben und Kriterien bewerten dieses Bild und legen Konsequenzen fest. Somit werden von einfachen gut / schlecht Bewertungen bis zu hochkomplexen Lösungen verschiedenste Aufgaben praktikabel und einfach gelöst. Dieses Mess- und Prüfverfahren hat in vielen Bereichen die „normale“ Triangulationsmessung ersetzt, bzw. deren Grundgedanken bedeutend verbessert. Mit dieser Methode kann sogar bis weit in den sub-µ Bereich hinein gemessen werden. Für eine passende Beleuchtung in diesem Bereich eignen sich Mikrolinienlasersysteme mit projizierten Linienbreiten um 5,5 µm. Dickere Linien sind durch die variable Fokussierung der Optiken anwenderspezifisch jederzeit frei einzustellen. Konträr zu den mikrometerfeinen Linien werden mit leistungsstärkeren Systemen auch Lichtschnittmessungen mit z.B. 30 m und längeren Linien optimal stark beleuchtet. Für weitere Anwendungen eignen sich diffraktive Optiken mit Projektionen von Punktmatrizen, Gitterstrukturen, Kreisen, Kreuzen und diversen anderen Muster. Der anwenderseitigen gedanklichen Vorstellungskraft verschiedener Muster stehen nur noch die weit gefassten Grenzen der optischen Physik gegenüber.

Einmal eingeschaltet ist das Laserlicht kontinuierlich vorhanden und unterliegt durch die interne automatische Ausgangsleistungskontrolle keiner nennenswerten Intensitätsschwankung. Mit dieser Grundlage lassen sich ultraschnelle Messvorgänge online realisieren. Ist eine Abstimmung der Beleuchtungsstärke notwendig, kann dies über manuelle oder elektrische Schnittstellen schnell, synchron und linear erfolgen.

Laser sind zudem klein, leicht, erzeugen keine nennenswerte Betriebswärme und benötigen in der Regel ein paar Milliampere für ihren Job, den sie jahrelang ohne Qualitätseinbußen garantieren.

Waren bis dato die LED-Systeme groß, inhomogen und einfarbig, wird durch die SMD-Technik eine kompakte und flexible Konstruktion erreicht. Dadurch, dass die in SMD-Technik gefertigten LED stecknadelkopfklein sind, können diese sehr eng zueinander platziert werden. Mit dieser Anordnung wird die Homogenität optimiert und die Leistungsdichte auf über 500 W/m2 gesteigert. Rot, Grün, Blau, Weiß, Infrarot oder auch farblich gemischt, der bei Bedarf erzeugte Regenbogen bleibt dabei einzeln ansteuer- und regelbar. Um das Licht effizient nutzen zu können, werden speziell angepasste Linsen vor die LED-Quellen gesetzt. Mit dieser Methode werden Linienarrays, Ringlichter, Auflichter und Flächenbeleuchtungen in kleinster Bauform gefertigt.

Anwendungen für LED-Beleuchtungen sind häufig in der Bildverarbeitung und Qualitätsprüfung zu finden. Sei es als Hintergrundbeleuchtung oder Durchlicht um zum Beispiel Einschlüsse in einem Material zu erkennen. Auch als homogenes Auflicht eignet sich die LED, um Kanten und Oberflächeninformationen eines Objektes zu erhalten. Der Vorteil der LED gegenüber dem Laserlicht liegt zum einem in der Möglichkeit großflächiger auszuleuchten und in der breitbandigeren Wellenlänge, die dadurch „specklefrei“ erscheint. LED-Systeme sind nicht getaktet, ihr Licht ist permanent vorhanden und kann bei Bedarf anwenderseitig getaktet, synchronisiert und in der Leistung geregelt werden.

Die LED-Systeme sind bequem mit einer Gleichspannung zu versorgen und auch die zu erwartende Lebensdauer gewährleistet einen jahrelangen, sorgenfreien Betrieb.

High Tech hält auch bei den Halogenlichtquellen Einzug. Neue Lichteinkoppelungsmethoden ermöglichen eine höhere Effizienz der abgegebenen Lichtleistung, mit dem erfreulichen Effekt, die gleiche optische Lichtleistung bei reduziertem Strom zu erreichen. Diese patentierte Lichteinkoppelung steigert die Lebensleistung einer Standard Halogenlampe um bis zu 500 Prozent! Weniger häufig die Lampe zu wechseln und Zeit für Neujustierung und Kalibrierung zu sparen freut neben dem Geldbeutel auch das Zeitkontingent des Anwenders.

Dem bekannten und leidigen Problem der langsamen und stetigen Degradierung der Lichtleistung wird eine optische Feedback- Funktion entgegengestellt. Diese Regelschleife garantiert eine automatisch geregelte und konstante Ausgangsleistung, die auch über den PC eingestellt bzw. ferngeregelt werden kann. Hierfür stehen eigens softwaretechnische Lösungen auf Windows-Basis parat.

Um das Halogenlicht an alle möglichen Stellen zu transportieren und zu formen, gibt es Faserbündel. Glasfaserbündel bestehen aus Quarzglas und sind auf den Spektralbereich der Halogenlichtquelle abgestimmt. Mit den Faserbündeln lassen sich Ringlichter mit verschiedenen Durchmessern, Linienarrays, Hintergrundbeleuchtungen und andere Formen realisieren.

Eine typische faseroptische Anwendung ist die gleichmäßig lange Ausleuchtung mit einem Querschnittswandler. Das Faserbündel wird zu einer Linienform aufgeteilt und innerhalb eines Querschnittwandlers mechanisch gleichmäßig sortiert angeordnet. Wird nun vor diese Lichtwellenleiter eine optisch berechnete Zylinderlinse positioniert, erzeugt man eine fokussierte homogene weiße Linie. Wird diese Linie zum Beispiel hinter einer Papierbahn justiert, kann diese Bahn auf mögliche störende Einschlüsse oder Rissstellen geprüft werden. Je nach Lichtbedarf kann diese Linie mit nur einer oder mehreren Lichtquellen mittels eingeschleifter Koppelstellen versorgt werden. Auch die besonders lichtstarken Xenon-Lichtquellen können in diese Faserbündel eingekoppelt werden. Mit Ringlichtern, Hintergrundlichtern und diversen anderen Faserbündeln lassen sich sehr individuell Formen und Geometrien für viele diverse Anwendungen kundenspezifisch realisieren.

Fluoreszenzlampensysteme sorgen auf langlebige Weise für eine homogene Ausleuchtung der Messszene und können dabei einfach an Mikroskope oder Kameras montiert werden. Die Systeme haben unterschiedliche Taktraten von 50 Hz bis zu 90 kHz Konverterfrequenz, die eine flimmerfreie Ausleuchtung auch bei hohen Messgeschwindigkeiten gewährleistet. Werden diese Lampensysteme mit Polarisationsfiltern versehen, ist es möglich, die unterschiedlichen Eigenschaften der Reflexion bestimmter Materialien besser hervorzuheben. Ist zum Beispiel eine hochreflektierende Fläche zu prüfen, kann das Licht polarisiert auf diesem Objekt abgebildet werden, um störende Oberflächenreflektionen zu vermindern und rein die zu prüfende Geometrie zu erkennen. Mittels standardisierter Adapter kann das Fluoreszenzsystem an die gängigen Mikroskope und Kamerasysteme bequem adaptiert werden.

Mit UV-Fluoreszenzlampen oder rein gelben Lichtstoffen sind auch andere Spektralbereiche und dadurch Messeffekte erschlossen worden. Bei einigen Systemen ist eine Regelung der Helligkeit oder eine Fernsteuerung möglich.

Die Lampensysteme bestehen aus der Fluoreszenzröhre, einer unanfälligen Elektronik und einem robusten aber leichten Gehäuse zur besseren Montage. Die Spannungsversorgung ist mit einem Steckernetzteil realisiert. Je nach Lichtbedarf stehen die besonders baukleinen Minisysteme oder die extra großen Auflichter zur Verfügung.

Stark und hell wie die Sonne sind die intensiven Xenon Lampensysteme. Ihr gebündeltes Licht kann frei strahlen oder durch Flüssigkeitslichtwellenleiter geführt werden, um eine möglichst „kalte“ Strahlquelle zu ermöglichen. Anwendungen in diesem Bereich sind seit langem in der Medizintechnik und hier in der Endoskopie bekannt. Aber auch im technischen Bereich findet die Xenon-Lichtquelle in vielen Anwendungen ihren Einsatz. In vielen baukleinen Inspektionssystemen auf endoskoptechnischer Basis befindet sich als Lichtquelle ein Xenonlampensystem. Die Xenon Lampensysteme weisen eine robuste hohe Lebensdauer und einen außerordentlichen Bedienungskomfort in der Handhabung auf. Je nach Ausstattung sind eine automatische Leistungskontrolle, die manuelle oder ferngesteuerte Regelung der abgegebenen optischen Leistung und diverser anderer Parameter bereits Standard. Die Systeme sind kompakt und können leicht an verschiedenen Orten flexibel eingesetzt werden. Hohe CW-Lichtleistung oder geblitzte Systeme lassen eine hohe Prozess- und Messgeschwindigkeit zu.

Das Verfahren ist dabei einfach: Die Blitze des gepulsten Xenon Strahlers werden mit der Videofrequenz der angeschlossenen Kamera synchronisiert. Das zu untersuchende Objekt wird immer dann von der Kamera aufgenommen, wenn der Lichtimpuls das Objekt beleuchtet. Das aufgenommene Bild wird anschließend mit einem Muster im Computer softwareseitig verglichen. Der Computer entscheidet, ob das geprüfte Objekt den vorgegebenen Qualitätskriterien entspricht und steuert, falls nötig, die Entnahme des geprüften Objektes aus dem Produktionsprozesses.

Die Lichtquellen emittieren im Spektralbereich von UV bis IR. Neu sind Systeme mit erhöhtem UV-Anteil. Anwendungen finden sich in Analysegeräten, Endoskopie und natürlich in der Bildverarbeitung.

In diesem Beitrag wurden einige Lichtquellen und Beleuchtungen kurz vorgestellt. Es gibt natürlich eine Vielzahl mehr an diversen Applikationen, jede für sich individuell und eine Herauforderung an den jeweiligen Anwender, der eine passende Lösung zu finden hat. Seit einiger Zeit helfen auch die Angebote an speziellen Beleuchtungsseminaren, eine Einführung und einen Überblick über die Möglichkeiten der passenden Beleuchtung zu gewinnen, ohne sich selbst ein komplettes „Forschungszentrum“ an diversen Lichtquellen anzuschaffen und lange zu probieren.

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