Qualitätssicherung Polarisiertes Licht macht verborgene Details sichtbar

Autor / Redakteur: Jan Sandvoss * / Gerd Kucera

Bildverarbeitung mit polarisiertem Licht macht Produkteigenschaften offensichtlich, etwa Spannungen in Kunststoffen oder Gläsern. Mit polarisiertem Licht in der IBV wird auch die Qualitätskontrolle einfacher.

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Bild 1: 
Bei Verwendung eines Polarisators wird nur der 
Teil des Lichts durchgelassen, der parallel zur optischen 
Achse des Polarisators schwingt.
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Bei Verwendung eines Polarisators wird nur der 
Teil des Lichts durchgelassen, der parallel zur optischen 
Achse des Polarisators schwingt.
(Bild: STEMMER IMAGING)

Polfilter gehören zum gängigen Handwerkzeug für Fotografen, um unerwünschte Lichtreflektionen auszufiltern und so besonders kontrastarke Bilder aufzunehmen. Bekannt ist diese Technologie auch von polarisierten Sonnenbrillen, die den Filtereffekt sehr eindrücklich beim Blick auf Wasser offenbaren.

Seit der Vorstellung des ersten CMOS-Bildsensors IMX250MZR mit Polarsens-Technik und 5,1 MPixel von Sony im Herbst 2018 und dem im vergangen Jahr vorgestellten IMX253 mit 12,4 MPixel Auflösung, stehen integrierte Polarisationsfunktionen auf Pixelebene auch für industrielle Bildverarbeiter zur Verfügung, um damit geeignete Aufgabenstellungen zu lösen. Diese Sensoren sind in der Lage, Licht in vier Ebenen mit 0°, 45°, 90° und 135° zu filtern und nur den Teil des Lichts durchzulassen, der parallel zur optischen Achse des jeweiligen Polarisators schwingt.

Für jede Berechnungseinheit verwendet der Sensor dazu vier Nanodraht-Arrays, die mit den genannten Winkeln ausgerichtet sind. Dabei befindet sich der Polarisator als Schicht zwischen den Photodioden und den Mikrolinsen. Dieser intelligente Aufbau des Sensors reduziert den unerwünschten Effekt des Übersprechens (Crosstalk), der dann auftritt, wenn polarisiertes Licht auf ein benachbartes Pixel trifft.

Nicht polarisiertes Licht hat Nachteile für die IBV

Um die Funktionsweise von Polarisationskameras besser zu verstehen, lohnt sich ein Blick auf die physikalischen Grundlagen. Licht lässt sich durch eine sich ausbreitende elektromagnetische Transversalwelle beschreiben, bei der eine elektrische Welle und eine magnetische Welle senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung schwingen (siehe Bild 1). Die Polarisation wird durch die Schwingungsebene der elektrischen Welle definiert.

Üblicherweise ist das Licht nicht polarisiert, d.h. alle Schwingungsrichtungen der elektrischen Wellen sind gleich wahrscheinlich. Ist nur eine Schwingungsrichtung vorhanden, spricht man von linear polarisiertem Licht. Sind die Phasen der senkrechten und parallelen Komponenten der elektrischen Welle unterschiedlich, ist das Licht elliptisch polarisiert. Zirkular polarisiertes Licht dagegen entsteht, wenn die Phasen beider Komponenten genau um 90 Grad verschoben sind. Diese Aussagen gelten für das gesamte elektromagnetische Spektrum und somit auch für das Lichtspektrum, zu dem die Bereiche ultraviolettes Licht (UV), sichtbares Licht mit Wellenlängen zwischen 440 und 650 nm, nahes Infrarotlicht (NIR) und kurzwelliges Infrarotlicht (SWIR) zählen.

Wie bereits erläutert, besteht unpolarisiertes Licht aus vielen Wellen, die zufällig in verschiedenen Richtungen schwingen. Beispiele dafür sind Glühlampen oder Sonnenlicht. Diese Form der Beleuchtung hat in der industriellen Bildverarbeitung den Nachteil, dass sich vor allem bei Prüfobjekten mit glänzenden Oberflächen Reflektionen in Teilbereichen praktisch nicht vermeiden lassen.

Polarisiertes Licht bedeutet hingegen, dass alle von einer der Lichtquelle ausgehenden Wellen die gleiche Polarisation aufweisen und somit in den Richtungen sowie dem Betrag der Amplituden der elektrischen Felder gleich sind. Durch die geschickte Nutzung von polarisiertem Licht können somit unerwünschte Reflektionen ausgefiltert werden. Wie die nachfolgenden Beispiele zeigen, ermöglicht dies in bestimmten Fällen eine vereinfachte und bessere Überprüfung von optischen Merkmalen an Objekten.

Bild 2: 
Der CMOS-Bildsensor IMX250MZR von Sony verwendet einen Polarisator zwischen den Photodioden und den Lens-on-Chip-Arrays, um einfallendes Licht in vier Ebenen mit 0°, 45°, 90° und 135° zu filtern.
Bild 2: 
Der CMOS-Bildsensor IMX250MZR von Sony verwendet einen Polarisator zwischen den Photodioden und den Lens-on-Chip-Arrays, um einfallendes Licht in vier Ebenen mit 0°, 45°, 90° und 135° zu filtern.
(Bild: STEMMER IMAGING)

Mit Hilfe des so genannten Stokes-Vektors lässt sich die Polarisation des Lichts quantitativ bestimmen und mathematisch darstellen. Dieser Vektor besteht aus vier Werten, mit denen sich die Richtung und Intensität und somit der Grad der linearen, zirkularen oder elliptischen Polarisation elektromagnetischer Wellen definieren lässt. Nach der Aufnahme von Objekten mit einer Polarisationskamera ist es möglich, Bilder für die ersten drei Stokes-Parameter darzustellen. Diese lassen sich in einem weiteren Schritt zur Berechnung der linearen Polarisation (DoLP, Degree of Linear Polarisation) und des Polarisationswinkels (AoMP, Angle of Mean Polarisation) verwenden. Zur besseren Visualisierung können diese DoLP- und AoMP-Bilder auch auf dem HSV-Farbraum abgebildet werden, um z.B. Spannungen in der Struktur von Objekten aus Kunststoff einfacher darzustellen.

Sinnvolle Möglichkeiten in den Anwendungen

Wer sich die Polarisationstechnik genauer ansieht, erkennt eine Reihe interessanter Applikationen, die sich damit lösen lassen. Vor allem bei der Inspektion von glänzenden, spiegelnden oder reflektierenden Oberflächen wie Folien, Metall oder Glas ermöglichen Polarisationsaufnahmen eine verbesserte Bildverarbeitung wie beispielsweise die einfachere Erkennung von Kratzern oder das robuste Lesen von Codes auf mehrschichtigen Folien. So lässt sich einfach untersuchen, ob etwa die Aufreißlaschen von in Folie eingeschweißten Kartendecks fehlerfrei sind. Bei Untersuchung mit unpolarisiertem Licht sind derartige Fehler deutlich schwieriger und bisweilen gar nicht erkennbar.

Bild 3: 
Jeweils vier Pixel mit Nanodraht-Arrays in den vier Polarisationswinkeln werden zu einer Berechnungseinheit zusammengefasst.
Bild 3: 
Jeweils vier Pixel mit Nanodraht-Arrays in den vier Polarisationswinkeln werden zu einer Berechnungseinheit zusammengefasst.
(Bild: STEMMER IMAGING)

Als weiteres Beispiel lassen sich traditionelle Pick&Place-Anwendungen nennen, bei denen glänzende, oft metallische Bauteile unter verschiedenen Beleuchtungs- und Polarisierungswinkeln in unterschiedlichen Bildbereichen immer zu Reflektionen führen. Durch die Kombination reflektionsfreier Teile der unter unterschiedlichen, teilweise virtuellen Polarisationswinkeln aufgenommenen Bilder zu einem Gesamtbild ist es möglich, gut auswertbare Bereiche zusammenzuführen und somit die Bildverarbeitung und Erkennung der Teile und ihrer Lage auf dem synthetischen Bild zu vereinfachen.

Bild 4: Polarisationsaufnahmen und die Abbildung auf dem HSV-Farbraum erlauben die Visualisierung von Spannungen im Material, in diesem Fall in der Struktur eines Lineals.
Bild 4: Polarisationsaufnahmen und die Abbildung auf dem HSV-Farbraum erlauben die Visualisierung von Spannungen im Material, in diesem Fall in der Struktur eines Lineals.
(Bild: STEMMER IMAGING)

Polarisationskameras in der Bildverarbeitung sind eine leistungsstarke, aber noch relativ junge Technik. Um die gegebenen Möglichkeiten bestmöglich auszuschöpfen, sind fundierte Sachkenntnisse in dieser Disziplin notwendig, weshalb sich die Beratung oder auch Zusammenarbeit mit einem Spezialisten anbietet. STEMMER IMAGING kooperiert mit Industriekameraherstellern, die ihrerseits spezielle Polarisationskameras entwickelt haben. Zu diesen zählen Allied Vision mit Modellen der Mako-Serie, JAI mit kompakten Go-Kameras und Teledyne DALSAmit bestimmten Modellen der Genie Nano-Familie.

Die Beleuchtung ist entscheidend für das Gelingen

Bild 5: Durch den Einsatz der Polarisationstechnologie lässt sich beispielsweise sehr einfach untersuchen, ob die Aufreißlaschen von in Folie eingeschweißten Kartendecks fehlerfrei sind. Links: Normale Aufnahme, Mitte: Aufnahme unter unpolarisiertem Licht, rechts: Aufnahme mit polarisiertem Licht.
Bild 5: Durch den Einsatz der Polarisationstechnologie lässt sich beispielsweise sehr einfach untersuchen, ob die Aufreißlaschen von in Folie eingeschweißten Kartendecks fehlerfrei sind. Links: Normale Aufnahme, Mitte: Aufnahme unter unpolarisiertem Licht, rechts: Aufnahme mit polarisiertem Licht.
(Bild: STEMMER IMAGING)

Auch bei den weiteren erforderlichen Komponenten wie den geeigneten Beleuchtungen und Optiken kann fundierte Sachkenntnis notwendig sein, um die optimale Systemzusammenstellung für die jeweilige Aufgabe zu realisieren. Denn die Lösung einer Bildverarbeitungsaufgabe steht und fällt auch mit der Auswahl der richtigen Beleuchtungsmethode. Sie ist ausschlaggebend für die Qualität der Bildaufnahme und kann gleichzeitig die nachfolgende Bildauswertung stark vereinfachen. Auch deshalb gehört die Auswahl der Lichtquelle zu den komplizierten und häufig gerne vernachlässigten Aufgaben in der Bildverarbeitung.

Die Erfahrung von STEMMER IMAGING in diesem Bereich zeigt sich auch in der selbst entwickelten Software-Bibliothek Common Vision Blox, in der bereits geeignete Tools zur Auswertung von Polarisationsbildern enthalten sind.

Bild 6: Durch das Kombinieren von Teilbildern mit unterschiedlicher Polarisation (links: 0°, Mitte: 90°) zu einem Gesamtbild ist es möglich, die gut auswertbaren Bereiche zusammenzuführen und somit die Bildverarbeitung auf dem synthetischen Bild (rechts) zu vereinfachen.
Bild 6: Durch das Kombinieren von Teilbildern mit unterschiedlicher Polarisation (links: 0°, Mitte: 90°) zu einem Gesamtbild ist es möglich, die gut auswertbaren Bereiche zusammenzuführen und somit die Bildverarbeitung auf dem synthetischen Bild (rechts) zu vereinfachen.
(Bild: STEMMER IMAGING)

Als wesentlichen Vorteil der Polarisation ist zusammenfassend die Tatsache zu nennen, dass nicht nur die Oberflächenbeschaffenheit von Objekten wie deren Rauheit, Kratzer, Dellen und Beschichtung den Polarisationszustand des Lichts verändern können, sondern auch andere physikalische Eigenschaften wie z.B. mechanische Belastungen oder Doppelbrechungen. Mit Polarisationskameras lässt sich die dritte Dimension des Lichts zum Vorschein bringen und für die industrielle Bildverarbeitung nutzbar machen. Das bedeutet, dass sich mit Hilfe von Polarisationsverfahren die unerwünschten Eigenschaften und Defekte erkennen lassen, die mit keiner anderen Methode sichtbar sind.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 1/2 / 2021 (Download PDF)

* Jan Sandvoss ist Spezialist für Polarisationstechnik bei STEMMER IMAGING.

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