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Gutes Licht ist Pflicht

| Autor / Redakteur: Claudius Piske* / Gerd Kucera

Wer sich näher mit der Fotografie und Bildverarbeitung auseinandergesetzt hat, kennt die Schwierigkeiten ein gewünschtes Objekt entsprechend den Erfordernissen korrekt auszuleuchten. Ungewollte Abschattungen, Überstrahlungen, Fremdlicht und unförmige Ausleuchtung sind einige der Probleme. Adaptive Beleuchtungskomponenten machen jetzt die Realisierung einer Aufgabe einiges leichter.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Zur einfacheren und schnelleren Lösung industrieller Bildverarbeitungsaufgaben arbeiten einschlägige Hersteller intensiv an neuen Beleuchtungskomponenten. Und es zeigt sich sehr deutlich, welche Fortschritte auf diesem Gebiet durch aktuelle Entwicklungen erreicht wurden. Etwa am Beispiel der adaptiven Beleuchtung von Vision & Control.

In kompakter und robuster Bauweise als Ring-, Linien- oder Flächenbeleuchtung in den Varianten Auflicht und Durchlicht ist bei der adaptiven Vicolux-Beleuchtung jede einzelne LED über die 100-MBit/s-Ethernet-Schnittstelle steuerbar. Sie eignet sich hervorragend als Universallichtquelle bei variierenden Beleuchtungsanforderungen, zum Ausgleich objektivbedingter Vignettierung, zur Unterdrückung störender Reflektionen und zur homogenen Beleuchtung stark strukturierter Objekte und Flächen. Mit der genauen Programmierung (bis 14 Bit) besteht nun auch die Möglichkeit, die Homogenität einer Durchlichtbeleuchtung auf über 99,5% zu optimieren und z.B. zur Vermessung von Kamerasensoren einzusetzen. Standardmäßig sind die Beleuchtungen in den Wellenlängen von Infrarot bis Blau und Weiß erhältlich. Kundenspezifische Wellenlängen wie tiefes Infrarot, Ultraviolett sowie Farbmischungen sind ebenfalls schnell und einfach realisierbar. Bei Farbmischung wird auch der Einsatz vom Schwarzweiß-Kameras für Farbanalysen möglich.

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Mit adaptiven Beleuchtungen ausgerüstete Prüfstationen lassen sich durch Umprogrammieren der LEDs auf verschiedene Prüfobjekte anpassen und minimieren kostenintensive Rüstkosten. Die Programmierung erfolgt mit den Vicorem-Befehlen via TCP/IP-Client oder der kostenlosen Vcwin-Software.

Grundfunktionen der Programmierung liegen in der Definition eines Helligkeitswertes jeder LED in 1024 Schritten. Unabhängig davon ist die Grundhelligkeit der gesamten Beleuchtungseinheit in 16 Stufen konfigurierbar. Zusätzlich kann mit dem Programmierbefehl definiert werden, ob die Lichtkomponente nach der Programmierung leuchtet, ausgeschaltet bleibt oder auf ein externes Triggersignal reagiert. Ein separater Kurzbefehl dient nur zum Ein- und Ausschalten. Für Netzwerkeinstellungen und Initialisierung gelten definierte Vicorem-Befehle.

Helligkeitskorrektur und Spektrumstabilität

Zum Einstellen der richtigen Belichtung, zum einen mit der Shutterzeit, ist dieses auch mit regelbaren Beleuchtungen möglich, z.B. am 0/10-V-Eingang. Geht es aber darum, die Helligkeit auf Anhieb genau festzulegen, fangen die Schwierigkeiten an. Denn LED-Beleuchtungen arbeiten überwiegend mit geregelten Konstantstromquellen, was unerwartete Effekte mit sich bringt und so nur eine schrittweise Annäherung an die gewünschte Belichtung erlaubt.

Lichtintensität und Lichtspektrum einer LED sind maßgeblich durch Strom und Temperatur beeinflusst. Die genannten Abhängigkeiten vom Strom zeigt Bild 2 einer grünen InGaN-LED mit 503 nm (ID = 30 mA T = 25 °C). Neben dem nichtlinearen Zusammenhang von Strom und Lichtstärke nimmt auch die Verschiebung der dominanten Wellenlänge mit dem Strom auf Grund der spezifischen Empfindlichkeitskurve der CCD- oder CMOS-Sensoren direkten Einfluss auf die Belichtung. Sucht man einen stabilen linearen Zusammenhang zwischen Stellgröße und Belichtung, müssen Strom und Temperatur konstant bleiben und die Belichtungszeit als Stellgröße fungieren.

Nach diesem Prinzip kann die Pulsweite (PW) einer Periode bei den adaptiven Vicolux-Beleuchtungen in 1024 Schritten (10 Bit) variiert werden. Das damit einfache Verhältnis zwischen Belichtung bzw. Grauwert (GW) und Pulsweite zeigt Gleichung 1 (siehe Bildergalerie).

Wird der Faktor k (siehe Gleichung 2 Bildergalerie) einmal ermittelt vereinfacht sich die Rechnung auf:

PWZiel = k • GWZiel.

Die hohe Schaltfrequenz der adaptiven Beleuchtungen ermöglicht stabile Belichtungsverhältnisse herab bis 70 µs Belichtungszeit. Um für derart kurze Zeiten stabile Lichtverhältnisse zuschaffen, lässt sich über den externen Triggereingang sicherstellen, dass die Beleuchtung immer ein Vielfaches einer Periodedauer zugeschaltet wird. Mit einer Einschaltverzögerung <500 ns wird die Einschaltzeit, von der Dauer des anliegenden Triggersignals, auf ein Vielfaches der Periodendauer ergänzt.

Über die Pulsweitenmodulation kann durch einmaliges Umprogrammieren der Beleuchtung der Zielgrauwert erreicht werden, an den man sich andernfalls in mehreren Schritten auf Kosten der Auswertezeit und Fehlmessungen antasten musste.

So kompensieren Sie Objektiveinflüsse

Die Vignettierung (Cosinus4-Effekt) von Objektiven, also die Abnahme der Helligkeit mit der Entfernung von der optischen Achse in cos4-Abhängigkeit von deren Feldwinkel, kann bei der Bildauswertung, besonders bei transparenten Materialien im Durchlichtverfahren wie Verpackungsfolien und -papieren zu Fehlern führen. Zwar wird in vielen Analysen partiell mit Gradientenverfahren angetastet, sodass die absoluten Grauwerte nicht entscheidend sind, stehen aber nur noch wenige Grauwerte durch die Helligkeitsabnahme zur Verfügung, nehmen der Signal-Rauschabstand und die Auswertegenauigkeit ab. Eine Binarisierung des Bildes würde bei zu starkem Randabfall sogar zu extremen Fehlern führen. Ohne Zeit- und Rechenaufwand, nur durch das entsprechende Anheben der Lichtintensität nach außen hin, kann der entstehenden Messfehler verhindert werden. Hier eignen sich besonders adaptive Durchlichtbeleuchtungen. Neben vielen anderen Basisfunktionen erleichtert die Cos4-Funktion in der Vcwin-Software die Programmierung derartiger Beleuchtungsverteilungen.

Vision & Control, Tel. +49(0)3681 797432

*Claudius Piske ist Projektleiter Beleuchtung bei Vision & Control, Erfurt.

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