Bei der Konzeption leistungsstarker Bildverarbeitungssysteme wird der Faktor Licht oft vernachlässigt. In der Regel gilt: Ist ein Objekt falsch beleuchtet, ist keine optimale Bildauswertung durch eine Software oder durch den Benutzer möglich.
Eines der wichtigsten Kriterien zur Beurteilung der Bildqualität sind Störungen durch Rauschen. Innerhalb von Bildverarbeitungssystemen gibt es unterschiedliche Rauschquellen. Üblicherweise dominiert der sogenannte Shot Noise. Dieser wird durch einen physikalischen Effekt verursacht und hat nichts mit der Kameraqualität zu tun. Die Ursache für dieses Rauschen liegt in der speziellen Natur des Lichts, das heißt der Photonen. Die Bildqualität ist abhängig von der Photonen-Anzahl, die auf das Objekt treffen und letztlich der Anzahl an Photonen, die den Kamerasensor erreichen.
In einem Aufbau mit einer definierten optischen Signalübertragung gibt es drei Parameter, die den Shot Noise bei einer Bildaufnahme beeinflussen:
- die Integrationszeit (Scan-Geschwindigkeit)
- die Blende (Tiefenschärfe und maximale Schärfe)
- die Lichtmenge auf dem gescannten Objekt
Die Wahl der Objektiv-Blende hat eine signifikante Wirkung auf die Anforderungen an die Lichtstärke. Ändert man die Blende beispielsweise von 4 auf 5.6, so ist eine um den Faktor 2 höhere Lichtmenge notwendig, um das gleiche Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) beizubehalten. Durch eine höhere Blende wird mehr Tiefenschärfe erzielt und die Abbildungsqualität durch reduzierte Vignettierungseffekte bei den meisten Objektiven verbessert.
Die Beleuchtungstechnik befindet sich im Umbruch und entwickelt sich kontinuierlich hin zu LED-basierten Lösungen. Der Erfolg der LED gründet sich auf eine Reihe von Vorteilen gegenüber den traditionellen Beleuchtungslösungen: Klassische Lichtquellen, wie beispielsweise Halogenlampen, verändern im Laufe der Zeit ihr Spektralverhalten und benötigen eine vergleichsweise lange Aufwärmzeit, bis sie einen stabilen Status erreicht haben. Darüber hinaus ist ihre Lebensdauer stark limitiert. LEDs verfügen im Gegensatz dazu über eine lange Lebensdauer ohne nachlassende Qualität des spektralen Verhaltens, so lange die Temperatur und der Strom konstant gehalten werden. Zudem sind LED-Lichtquellen in der Regel sofort betriebsbereit.
Je besser die Kühlung, desto länger die Lebensdauer einer LED
Die nur sehr kurze Aufwärmphase resultiert aus der kleinen Bauform. Diese Tatsache bedingt jedoch eine gute Wärmeableitung, um die LEDs in angemessenen Arbeits-, das heißt Temperaturbedingungen, zu halten. Es gilt die Regel: Je besser die Kühlung, desto länger die Lebensdauer einer LED. Die LED-Temperatur beeinflusst neben der Lebensdauer auch das spektrale Verhalten (eventuelle Farbverschiebungen) sowie die generelle Leistungsfähigkeit (Helligkeit). In Anwendungen, bei denen eine präzise Farbwiedergabe erforderlich ist, wird deshalb empfohlen, die Temperatur der Beleuchtung auf einen definierten Wert zu stabilisieren. Wirksame Kontrollsysteme können die Temperatur einer LED heute durch intelligente Kühlungslösungen in einer Bandbreite von weniger als 2 °C regeln.
Dazu zählen die passive Kühlung durch Wärmeableitung über Konvektion, die Druckluftkühlung, die Wasserkühlung oder eine temperaturgeregelte Lüfterkühlung. Aktive Lüfterkühlung, Pressluft oder Wasserkühlung sind nach Ansicht von Experten eine gute Wahl für Messanwendungen bei hohen Umgebungstemperaturen. Durch die Temperaturüberwachung der LEDs und die Regelung der Kühlung lassen sich die Verschiebungen in der Farbwiedergabe komplett vermeiden oder zumindest stark verringern.
Über die Controller-Schnittstelle lässt sich die Lichtstärke steuern
Aktuell werden verschiedene technische Konzepte für LED-Controller angeboten: Einige sind in die Beleuchtung integriert, andere extern realisiert. In industriellen Arbeitsumgebungen ist, neben einer robusten Bauform, die Auswahl der geeigneten Controller-Schnittstelle von hoher Bedeutung. Über die Controller-Schnittstelle kann der Anwender die Lichtstärke bedarfsgerecht steuern, beispielsweise für den Fall, dass unterschiedliche Materialien, die auf der gleichen Produktionslinie inspiziert werden, unterschiedliche Lichtstärken benötigen.
Ist ein flaches Objekt mit bekanntem und fixem Abstand zu beleuchten, ist die Auswahl der notwendigen Fokussierung vergleichsweise einfach. Aufwändiger gestaltet sich die Auswahl der richtigen Beleuchtung, wenn das Objekt keinen genau definierten Abstand zum Licht hat oder die Oberfläche nicht flach ist. In diesem Fall stellt die Sicherstellung einer gleichbleibend ausreichenden Bildhelligkeit eine Herausforderung für die Beleuchtung dar.
Der Einsatz von Reflektortechnik ermöglicht es in derartigen Fällen, mehr Licht von einer LED zu sammeln (größerer Erfassungswinkel der abgestrahlten Lichtmenge) und eine bessere Lichtverteilung über die Tiefe zu erreichen. Im Gegensatz zu einer Hintergrund- oder einer Hellfeldbeleuchtung wird für eine Auflichtbeleuchtung in der Regel eine fokussierte Beleuchtung eingesetzt. Marktübliche Beleuchtungssysteme setzen hier Stablinsen oder Fresnellinsen ein, um die notwendigen Beleuchtungsstärken zu erreichen. Chromasens praktiziert hier einen neuen und in dieser Form einzigartigen Ansatz. Während die Verwendung von Stablinsen zu Farbabweichungen aufgrund von Beugungseffekten führt, ist das von Chromasens entwickelte und patentierte Spiegel- (Reflektor-) Prinzip frei von solchen negativen Auswirkungen.
Glänzende oder reflektierende Materialien stellen im Hinblick auf die Beleuchtung eine Herausforderung dar. Häufig kommt es zu unerwünschten Reflektionen im Bild. In Kombination mit einem um 90 Grad gedrehten Polarisationsfilter vor der Kamera können diese unerwünschten Lichtreflexe verhindert werden. Beim Einsatz derartiger Filter müssen die Effektivität beachtet werden:
Durch derartige Anordnungen erreicht nur circa 18 bis 20 % der ursprünglichen Lichtmenge den Sensor. Die Lichtmenge der Beleuchtung muss also entsprechend hoch sein, um Rauschen zu minimieren und dennoch eine ausreichende Bildqualität beim Einsatz von Polarisationsfiltern zu erzielen.
LEDs sind heute in vielen verschiedenen Farben verfügbar. Es gibt sie in rot, grün, blau, gelb oder amber. Auch UV-LEDs und IR-LEDs sind erhältlich. Die Auswahl einer bestimmten Farbe und damit einer bestimmten Wellenlänge kann dazu beitragen, Objekteigenschaften auf Oberflächen mit unterschiedlichem Spektralverhalten sichtbar zu machen. ■
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