Kostengünstige Bildgebung mit Polarisationsinformation Prüfung ohne Glanz - Quality Engineering

Kostengünstige Bildgebung mit Polarisationsinformation

Prüfung ohne Glanz

Plastikgefäß_leuchtet_in_psychedelischen_Farben_wie_eine_Holografie
Bis dato sprachen vor allem Usability, Geschwindigkeit und Preis gegen einen industriellen Einsatz zur Messung von Polarisation Bild: Tanja Esser/Fotolia
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Bisher sind Polarisationskameras nur selten bei Mess- und Prüfaufgaben berücksichtigt worden. Doch die Einführung von CMOS-basierten linearen Polarisationssensoren hat eine neue Dimension für Anwendungen in der industriellen Bildverarbeitung eröffnet. So eignet sich die Technologie besonders für hochglänzende Oberflächen.

Grundsätzlich können Polarisationskameras überall dort eingesetzt werden, wo bisher Reflexionen, Glanz und Spiegelungen eine wiederholbare gute Bilderfassung verhindert oder zumindest erschwert haben. So bietet sich zum Beispiel in der Metallindustrie der Polarisationsansatz an, um hochglänzende Oberflächen einer effizienten und verlässlichen 3D-Prüfung zu unterziehen, was bisher trotz des großen Potenzials dieser Applikation extrem schwierig war.

Aber auch die Untersuchung von Prüflingen mit starkem Glanz zwecks Fehlerkontrolle oder Ermittlung von Spannungen und Dehnungseigenschaften bei Glas oder Kunststoff wird durch Polarisation wesentlich leichter, ebenso wie die Bestimmung der geometrischen Ausrichtung von Baumaterialien wie zum Beispiel Faserverbundwerkstoffen.

Bis dato sprachen aber vor allem Usability, Geschwindigkeit und Preis gegen einen industriellen Einsatz zur Messung von Polarisation. Bei einem prismabasierten Polarisationsansatz wird das einfallende Licht mittels Prismablock aufgesplittet und an mehrere Sensoren weitergeleitet, die durch die vorgelagerten linearen Polarisationsfilter jeweils einen anderen Polarisationswinkel aufnehmen. Aufgrund der Kosten für das Prisma sowie der größeren Bauform war dieser Ansatz nicht sehr populär. Hinzu kommt, dass zwei bis vier Sensoren statt einem eingesetzt werden.

Preiswerter sind Monochromkameras mit austauschbaren linearen Polarisationsfiltern, die gedreht werden können, um unterschiedliche Polarisationswinkel zu realisieren. Allerdings ist eine zeitgleiche Bildgebung mit verschiedenen Winkeln hier nur möglich, wenn man zwei bis vier Kameras mit festen Polarisationswinkeln gleichzeitig einsetzt. Das Problem der räumlichen Anordnung ist hierbei auch noch zu berücksichtigen.

Obwohl es keine handelsüblichen, zirkulären Mikro-Polarisationssensoren auf dem Markt gibt, hat die Einführung von CMOS-basierten linearen Polarisationssensoren eine neue Dimension für Anwendungen in der industriellen Bildverarbeitung eröffnet. Entscheidend war dabei, dass Sony dieses Jahr mit dem IMX250MZR den ersten CMOS-basierten linearen Polarisationssensor auf den Markt gebracht hat.

Kamera mit Sony-Sensor eröffnet viele Möglichkeiten

Der Sensor basiert auf einem mit Antireflexionsmaterial beschichteten Nano-Drahtgitter, das auf dem Chip platziert wird, so dass der Crosstalk minimiert und das Auslöschungsverhältnis maximiert wird. Im Winkel von 0°, 45°, 90° und 135° sind je 4 separate Polarisationsfilter in einem bestimmten Muster über dem Sensor angeordnet. Dank dieser linearen Filteranordnung erhält der Sensor seine Polarisationsfähigkeiten.

Auf Basis des Sony-Sensors hat JAI (Vision: Halle 1, Stand F50) seine GO-5100MP-USB entwickelt. Die Kamera bietet 5.1 Megapixel Gesamtauflösung sowie ein innovatives 4-Wege-Polarisationsfilterdesign, das eine Reihe von Möglichkeiten für die Abbildung und Analyse von Objekten und Materialien in industriellen Anwendungen bietet. Bei Vollauflösung erreicht die GO-5100MP-USB 2464 x 2056 Pixel mit einem optischen Format von 2/3“ und einer Pixelgröße von 3,45 µm x 3,45 µm.

Jeder Block von vier Pixeln kann als Berechnungsblock verwendet werden, um den Winkel und die Intensität des von Objekten reflektierten Lichts zu bestimmen sowie weitere Berechnungen vorzunehmen. Durch die Verwendung von Polarisationsfiltern können nicht nur Reflexionen und Lichtflecke abgeschwächt werden. Auch Materialdicken und andere potenzielle Fehler lassen sich analysieren, die mit herkömmlichen Bildverarbeitungstechniken nicht erkennbar sind,.

Die GO-5100MP-USB ist mit einer High-Speed-Schnittstelle USB3 Vision ausgestattet, die bei Vollauflösung und 8-Bit-Ausgabe bis zu 74 Bilder pro Sekunde ermöglicht. 10-Bit- und 12-Bit-Ausgabe werden ebenfalls unterstützt. Weitere Kamerafunktionen sind Single- und Multi-ROI-Funktionen, 2 x 2 Binning, Schattenausgleich und Gammakorrektur.

Der Grundkörper der Kamera ist ein kompaktes 29 x 29 x 41,5 mm großes Gehäuse mit einer Objektivaufnahme, die Standard-C-Mount-Objektive unterstützt. Die Kamera ist nach höchsten Standards für Stoßbelastungen (80 g) und Schwingungen (10 g) gebaut, damit sie in industriellen Umgebungen mit einer MTBF-Zeit von mehr als 150.000 Stunden arbeiten kann. ■


Der Autor

Björn Milsch

Regional Sales Manager

JAI

www.jai.com


Polarisiertes Licht

Lichtwellen sind elektromagnetisch und entstehen durch vibrierende elektrische Ladungen. Außerdem sind Lichtwellen transversal (schräg/querverlaufend) und bestehen aus elektrischen und magnetischen Komponenten. Das elektrische Feld einer Lichtwelle oszilliert senkrecht zur Übertragungsrichtung. Wenn die Richtung des elektrischen Feldes definiert ist, wird es als polarisiertes Licht betrachtet. Im Falle von nicht-polarisiertem Licht schwingt das elektrische Feld willkürlich in mehr als einer Ebene.

Die meisten natürlichen Lichtquellen emittieren nicht-polarisiertes Licht. Der Umwandlungsprozess von nicht-polarisiertem Licht in polarisiertes Licht wird als Polarisation bezeichnet. Abhängig von der Orientierung des elektrischen Feldes unterteilt man polarisiertes Licht in 3 Typen: linear, elliptisch und kreisförmig.

Bei der linearen Polarisisation ist der Bereich des elektrischen Feldes auf eine einzige Ebene entlang der Übertragungsrichtung beschränkt. Kreisförmige Polarisation bezeichnet den Zustand, bei dem das elektrische Feld der Lichtwelle eine konstante Größe hat, aber die Richtung in einer Ebene rotiert, die senkrecht zur Übertragungsrichtung liegt. Elliptische Polarisation besteht aus zwei senkrechten Wellen mit ungleicher Amplitude und einer Phasendifferenz, die nicht π/2 entspricht.



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