LED-Beleuchtung Vorteile von hellen und homogenen LED-Hintergrundleuchten

Redakteur: Gerd Kucera

Noch immer wird die Beleuchtung unter den industriellen Bildverarbeitungskomponenten als Nebensache behandelt. Dabei gehört Licht zum Fundament einer prozesssicheren IBV-Lösung. Die Praxis beweist es: Bei der vollautomatischen Prüfung von PET-Flaschen-Rohlingen kommt es auf hohe Lichthomogenität und -intensität an.

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Die Qualität eines optischen Sichtprüfsystems in der industriellen Bildverarbeitung steht und fällt mit der Güte der Lichtsignale, die seine Kamera erreichen. Und diese hängt in hohem Maße von der gesamten Lichtsituation ab, der ein Objekt ausgesetzt ist, das von einer Kamera inspiziert werden soll. „Die Beleuchtung ist das Fundament der Bildverarbeitung“, konstatiert so auch Meinrad Simnacher, Geschäftsführer der LEUTRON VISION GmbH, „Fehler, die hier gemacht werden, lassen sich oft gar nicht kompensieren oder nur mit hohem Aufwand.

Deshalb legt LEUTRON VISION als erfahrener Hersteller von Bildverarbeitungshardware sehr viel Wert darauf, zusätzlich zu dem Sortiment an Kamerasystemen wie PicSight und Frame-Grabbern wie PicPort, seinen Anwendern Beleuchtungsmöglichkeiten in hoher Qualität anzubieten. „Wir haben sehr früh erkannt, welches Potenzial in der patentierten Beleuchtungstechnik der französischen Firma PHLOX steckt und deshalb die exklusiven Vertriebsrechte für deren Feldbeleuchtungen in Deutschland und Österreich erworben“, sagt Simnacher.

Wer mit der Billiglösung sparen will, zahlt später drauf

Meinrad Simnacher, LEUTRON VISION: „In der patentierten Technik der Feldbeleuchtungen des französischen Herstellers PHLOX steckt ein hohes Anwendungspotenzial.“ (Archiv: Vogel Business Media)

Die richtige Beleuchtung für die jeweilige Bildverarbeitungsanwendung herauszufinden, ist keine leichte Aufgabe. Zum einen, weil es eine enorme Vielfalt an Lichtquellen unterschiedlichster Bauart gibt und zum anderen, weil eine große Anzahl an anwendungsspezifischen Merkmalen zu berücksichtigen ist. Bedauerlicherweise stellt man in der Praxis häufig fest, dass die Beleuchtung unter den Bildverarbeitungskomponenten immer noch als Stiefkind behandelt wird. Simnacher weiß, dass Anwender dazu tendieren bei der Beleuchtung sparen zu wollen: „Zunächst wird mit einer Billiglösung begonnen, um dann mit hohem Zeitaufwand festzustellen, dass damit keine stabile und sinnvolle Umsetzung der Bildverarbeitungsanwendung möglich ist.“

Was die Kamera nicht sieht, kann keine Software errechnen

Differenzieren lohnt sich zum Beispiel bei solchen Bildverarbeitungsanwendungen, in denen Hintergrundbeleuchtungen erforderlich sind. Geht es in der Aufgabe nur darum, zwischen hell und dunkel zu unterscheiden, reicht eine einfache LED-Matrix-Hintergrundbeleuchtung mit Diffusorscheibe aus. Ist jedoch eine Grauwertunterscheidung notwendig, etwa bei transparenten Objekten oder an Kanten, dann sind herkömmliche Matrixbeleuchtungen häufig ungenügend, da zum einen die benötigte Lichthomogenität nicht erreicht wird und zum anderen die Diffusorscheibe bekannterweise 35 bis 50% des erzeugten Lichts schluckt. Eine schlechte Beleuchtung muss dann aufwändig softwaretechnisch in der Bildverarbeitung korrigiert werden, was oftmals unzureichend ist.

Homogenität, Helligkeit, Langzeitstabilität und Langlebigkeit

Bei der neuartigen Technologie von PHLOX sitzen die Lichtquellen (etwa LEDs) lediglich am Rand des Leuchtfeldes. Sie schicken das Licht über linienförmig eingravierte Mikroprismen (ein sequenzieller Betrieb mit unterschiedlichen LED-Farben bietet sich an). (Archiv: Vogel Business Media)

Hier setzen die ultraflachen Leuchtfelder von PHLOX an, die sogar mit besonders vorteilhaften Eigenschaften aufwarten können. Denn entgegen des gängigen LED-Matrixaufbaus hat der Hersteller vor einigen Jahren eine neuartige Technologie entwickelt. In die Leuchtflächen des Grundmaterials, das entweder aus Kunststoff oder auch Glas bestehen kann, werden über ein weltweit patentiertes Verfahren linien-förmige Mikroprismen eingraviert. Die Lichtquellen, etwa LEDs oder Fiberoptiken, sitzen lediglich an den Rändern und speisen Licht in die Leuchtkanäle ein. Dicke Diffusorscheiben sind hier obsolet. Deshalb wird bei Feldleuchten von PHLOX zirka 90% der eingespeisten Lichtmenge über die Leuchtfläche abgestrahlt. Die Intensitätsverteilung der Lichtaustrittsfläche lässt sich durch eine variable Bestückung mit LEDs während der Produktion gezielt steuern.

Hell und homogen mit einer Lebensdauer von 100.000 h

Die LED-Hintergrundleuchten erzeugen ein extrem homogenes Licht, das über die gesamte Leuchtfläche nur um ±5% abweicht. Die geringe Wärmeentwicklung begünstigt zudem das temperatur-abhängige LED-spezifische Langzeitverhalten bezüglich Leuchtdichte, Farbstabilität und Lebensdauer. Für die Luft- und Raumfahrt hat PHLOX auf dieser Basis neue Beleuchtungen für einen Temperaturbereich von -35 bis 85°C und einer Lebensdauer von 100.000 h entwickelt. Zusätzlich verfügen diese über eine sehr gute Farbstabilität, wobei die Helligkeit über die gesamte Lebensdauer nahezu gleich bleibt. Seit Mai 2008 stehen solche Beleuchtungen auch als Standardprodukte für die industrielle Bildverarbeitung zur Verfügung.

Nachgewiesene Helligkeitsverteilung und Leuchtdichte

Dass PHLOX sehr großen Wert auf Qualität und Anwender-Transparenz legt, zeigt sich durch das mitgelieferte Zertifikat. In der Produktion wird bei jedem Produkt die Helligkeitsverteilung und Leuchtdichte gemessen. So kann der Anwender anhand des Zertifikats die hohe Qualität der Hintergrundleuchten über die Lebensdauer nachvollziehen. Und weil diese Leuchten sehr hohen Anforderungen in der Industrie gerecht werden, sind sie besonders für Anwendungen in der Glasinspektion, Flaschenkontrolle, in der genauen Kantenvermessung, in der die Richtung des Lichts eine wichtige Rolle spielt, oder auch für die Partikel- und Strukturerkennung in mikrobiologischen Analysen geeignet.

Die LED-Feldbeleuchtung offenbart die Fehler in PET-Flaschenrohlingen

Die extreme Homogenität und hohe Lichtintensität der LED-Hintergrundleuchten waren entscheidende Kriterien für die Auswahl des Beleuchtungssystems bei der Kontrolle von PET-Flaschen-Rohlingen bei der WOLF SYSTEME AG (Archiv: Vogel Business Media)

Den Mehrwert hat auch die WOLF SYS-TEME AG erkannt und dazu bewogen, solche LED-Hintergrundleuchten in ihre vollautomatischen und berührungslosen Prüfsysteme für Preforms (Flaschenrohlinge) einzubauen. „Homogenität, hohe Leuchtdichte, die Regelbarkeit der Lichtintensität, die Langlebigkeit und eine relativ konstante Beleuchtungsintensität über die Lebensdauer sowie die schmale Bauform und ein robustes Gehäuse zählten für uns zu den entscheidenden Auswahlkriterien“, bestätigt Gerhard Hauser, Vertriebsleiter Industrie der WOLF SYSTEME AG.

Preforms sind 15-mal schneller geprüft als bisher

Die Qualität einer PET-Flasche ist sehr stark von der Qualität der Preforms abhängig. Das heißt, der in einem Spritzgießwerkzeug hergestellte Rohling muss einwandfrei sein, damit in der Blasstreckmaschine dann auch eine Flasche der gewünschten Form und Qualität entstehen kann. Mit sehr hoher Genauigkeit werden deshalb die Preforms stichprobenartig oder auch zu 100% auf vielseitige Qualitätsmerkmale inspiziert. Durch Teachfunktionen kann sich das Prüfsystem MVplus_PREFORM-INSPECTOR sehr schnell auf die unterschiedlichen Rohlinge einstellen. „Das System ist gut 15-mal schneller und 20-mal preiswerter als bisherige marktübliche Prüfungen“, betont Hauser.

Sechs Kameras inspizieren Dutzende von Details

Sechs hochauflösende Kameras inspizieren Boden, Bund, Gewinde, Halsrand, Rumpf, Perforation etwa auf Durchmesser, Form, Oberfläche, Verschmutzung des Materials, Kristallinität, Milchigkeit, Farbe und vieles mehr. Ein Drehmodul rotiert den Prüfling bei der detaillierten Gewinde- und Halsprüfung. Für zahlreiche weitere Prüfpositionen ist ein Roboter zuständig, der dann nach Abschluss der Tests den Prüfling auch in den entsprechenden Auswurfschacht sortiert.

Homogenität, Regelbarkeit und schmale Bauform sind wichtig

Hauser berichtet aus der Praxis: „Insgesamt wurden in diesen Anlagen drei PHLOX-Beleuchtungen unterschiedlicher Größe und Wellenlänge eingesetzt. Denn wir benötigten zum einen homogenes Durchlicht zur Kontrolle der Außenkontur, zum anderen regelbares Durchlicht, um bei transparenten Preforms unterschiedlicher Farbe und Absorption auch die geprägten Nestnummern erkennen und lesen zu können. Das dritte regelbare Durchlicht war dann für die Fehler-erkennung von Kratzern in der Preform-Oberfläche oder Schlieren im Material notwendig.

Um diese Prüfaufgaben bei einem rotierenden Preform zu bewältigen, musste die Beleuchtung sehr gleichmäßig über ihre Fläche sein. Auch hohe Lichtintensität war wichtig, denn eine große Herausforderung lag im prozesssicheren Lesen von geprägten Nestnummern, da kein deutlicher Kontrast vorhanden ist. Hier mussten wir shuttern. Wegen der unterschiedlichen Durchmesser benötigten wir aber auch Schärfentiefe, das heißt, die Blende durfte nicht zu weit geöffnet werden. Folglich bedurfte es einer sehr lichtstarken Beleuchtung, um die Aufgaben sicher und erfolgreich lösen zu können.“

Neben Faseroptik und HF-Fluoreszenzlampen haben sich in den vergangenen zehn Jahren in Applikationen der industriellen Bildverarbeitung hauptsächlich LEDs hervorgetan, weil sich die Halbleiterdioden-Technologie in raschem Tempo weiterentwickelt und bestechende Vorteile aufweisen kann: etwa Langlebigkeit und geringe Ausfallraten. Zudem ist die relative Konstanz der Helligkeit über der Zeit besser als bei Leuchtstoffröhren. Gegenüber Lichtfaserbeleuchtungen sind LEDs kostengünstiger. Außerdem bieten sie eine große Freiheit in der Lichtgestaltung und hinsichtlich mechanischem Aufbau. Auch sind inzwischen Lichtintensitäten erzielbar, die an die von Halogenlampen heranreichen.

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