Eine Anwendung ins rechte Licht zu setzen ist beim Einsatz von Bildverarbeitung wie auch von Vision-Sensoren nicht immer ganz einfach. Nicht nur die Wahl der richtigen Lichtquelle, sondern auch die Ausrichtung von Sensor und Lichtquelle zueinander sind für die Detektionssicherheit entscheidend.

Vision-Sensoren haben in den letzten Jah-ren zahlreiche Anwendungen in der Indus-trieautomation erobert. Die im Vergleich zu klassischen Bildverarbeitungssystemen günstigen Anschaffungs- und Einrichtungs-kosten dieser „intelligenten Kameras“ haben es ermöglicht, Automatisierungslösungen für Prozesse zu finden, die sich zuvor nicht oder nicht wirtschaftlich automatisieren lie-ßen. Zu den wichtigsten Einsatzfeldern der Vision-Sensoren gehören heute die Teilede-tektion mittels Muster- und Konturerken-nung, die Farberkennung sowie die Identifi-kation von Barcodes und DataMatrix-Codes.

Allerdings stellen Vision-Sensoren hohe Ansprüche an die Beleuchtung: Je besser die Bildqualität, umso höher die Detekti-onssicherheit. Denn selbst der beste Aus-wertealgorithmus kann später keine Details ergänzen, die schon während der Aufnahme verloren gegangen sind. Deshalb ist die rich-tige Beleuchtung das A und O für den Erfolg und die stabile, prozesssichere Funktion je-der Automatisierungsanwendung mit Vision-Sensoren.

DIE GRUNDSATZFRAGE:HELLFELD- ODER DUNKEL-FELD-BELEUCHTUNG

Grundsätzlich lassen sich zwei Haupt-Beleuchtungs-arten unterscheiden: die Hellfeld- und die Dunkel-feld-Beleuchtung. Bei der Hellfeld-Beleuchtung werden Sensor und Beleuchtung so angeordnet, dass das Licht von der Oberfläche direkt in den Sensor reflektiert wird. Umgekehrt werden bei der Dunkel fe ld-Beleuchtung Lichtquelle und Sensor so

platziert, dass nur Streulicht, zum Beispiel von Kanten, direkt in den Sensor gelangt. Einige Beispiele sollen im Folgenden die Vor- und Nachteile der beiden Beleuchtungsvari-anten illustrieren.

Dunkelfeldbeleuchtung

Die Hellfeldbeleuchtung mit senkrechter Ausrichtung des Sensors zum Objekt kann wegen der – sogar auf einer schwarzen Kunststoffoberfläche auftretenden Reflexi-onen problematisch sein, da sie das zu er-kennende weiße Muster überstrahlen. Statt-dessen empfiehlt sich hier, den Sensor mit integrierter Beleuchtung leicht gegenüber der Objektoberfläche zu verkippen (Typ 10°

Die SenSopart GmbH Gibt tippS für Die ricHtiGe beleucHtunG

Gutes Licht für Vision-Sensoren

s h o r t n e w s

Newsletter Ausgabe 06 | 2. Jahrgang 2011

Noch mehr Information: www.falcon-illumination.de

FAL CONF A L C O N I L L U M I N A T I O N M V G M B H C O K G

Beispiel einer DunkelfeldbeleuchtungZwei Dunkelfeldbeleuchtungen mit jeweils 180 Grad

beleuchten ein Objekt. Auf Grund der Gegenseiten konnte kein durchgängiges Dunkelfeld-Ringlicht ver-

wendet werden, an deren Stelle kamen die Sonder-anfertigung (FHLC-i170-LA3-R24)

– 20°, d.h. Dunkelfeld). Auf diese Weise wer-den direkte Reflexionen vom Hintergrund vermieden, sodass dieser dunkel erscheint, und zugleich wird der weiße Aufdruck, der diffus reflektiert, hervorgehoben. So ent-steht ein stabiles, kontrastreiches Bild.

Auch bei Kunststoffteilen mit erhaben an-gespritzten Merkmalen wie Schriften o.ä. ist die Hellfeldanordnung wegen der auftre-tenden Reflexionen nicht zu empfehlen. Die Dunkelfeldanordnung durch eine zur Objek-toberfläche verkippte Ausrichtung des Sen-sors liefert bereits bessere Ergebnisse; opti-mal ist in solchen Fällen jedoch eine frontale Ausrichtung des Sensors mit flach einfallen-dem, seitlichen Licht aus einer externen Be-leuchtungsquelle.

Dasselbe gilt bei der auf Seite 1 darge-stellten Anwendung: Die Dunkelfeldvarian-te mit seitlichem Lichteinfall aus einer ex-ternen Beleuchtungsquelle liefert deutlich bessere Kontraste und damit eine höhere Detektionssicherheit der erhabenen Struk-turen, welche bei frontaler (Hellfeld-) Be-leuchtung aufgrund des spiegelnden Hinter-grunds nicht im selben Maße gegeben wäre.

Hellfeldbeleuchtung

Bei der Detektion stark reflektierender Metalloberflächen ist hingegen die Hellfeld-beleuchtung oft von Vorteil, da die Metal-loberflächen durch Totalreflexion selbst vor weißem Hintergrund klar hervorgehoben werden und somit keine Störungen vom nun dunkel erscheinenden Hintergrund auftre-ten können. Auf diese Weise wird bei dieser Applikation eine hohe Detektionssicherheit erreicht. Da der hier genutzte Effekt der Totalreflexion stark von der Oberfläche und der Winkelausrichtung abhängt, ist bei Nut-zung der Hellfeldbeleuchtung auf die Stabi-lität dieser beiden Größen über die Serie zu achten.

BESONDERE BELEUCHTUNGS-SITUATIONEN: RINGLICHT,DIFFUSES LICHT, DURCHLICHT

Besondere Anwendungen verlangen beson-dere (Beleuchtungs-) Lösungen: Wenn zum Beispiel Schattenwurf an einem symmet-risch runden Teil vermieden werden soll, ist eine Dunkelfeldanordnung mit einem exter-nen Ringlicht zu empfehlen.

Besteht das Risiko von Re-flexionen und Überstrah-lungen, beispielsweise bei der Mustererkennung oder Codelesung auf gewölbten Oberflächen, kann diffuses Licht aus einer externen Dom- oder Tunnelbeleuch-tung die richtige Wahl sein. Schließlich gibt es noch die Möglichkeit, im Durchlicht zu arbeiten, wenn es auf die Erkennung von Außenkontu-ren ankommt.

Ringlicht

Die Kontur eines runden Teils – zum Beispiel eines Zahnrads – wird durch ein Ringlicht klar und schatten-los sichtbar. Je nach Ein-fallswinkel des Lichts (zu regulieren durch Variation des Beleuchtungsabstands) lassen sich unterschiedliche Objektdetails ins Licht set-zen.

Diffuse Beleuchtung

Um Merkmale wie Schriften o.ä. auf zylindrischen, stark reflektierenden Metallteilen sicher erkennen zu können, ist der Einsatz einer diffusen Dom- oder Tunnelbeleuch-tung unumgänglich. Dassel-be gilt für über die Serien chaotisch streuend geform-ten – und damit chaotisch streuend reflektierenden – Kunststoff- und Alumini-umfolien, wie sie für Arz-neimittelblister und andere Verpackungen verwendet werden. Bei dieser Art der Beleuchtung ist das Licht nicht gerichtet, sondern fällt, wie an einem bewölk-ten Tag, gleichmäßig aus vielen Richtungen ein. Durch diffuse Beleuchtung lassen sich starke Reflexionen ver-meiden.

shortnews 06Bildverarbeitung - Tipps für die richtige Beleuchtung

Ringlicht: Bei einer Ventilspitze war zu prüfen, ob sich im oberen Ring Fehlstellen oder Ausbrüche befinden. Das Ringlicht verfügt standardmäßig über einen Diffuser (FLDR-Si32-R4)

Den Vision-Sensor von SensoPart gibt es mit inte-grierter weißer, roter oder infraroter Beleuchtung. Zusätzliche Beleuchtungen von Falcon können mit Hilfe eines Anschlussadapters sehr einfach an denVision-Sensor angeschlossen werden (VISOR V10)

DOM-Beleuchtung: Die Einsatzfelder von DOM-Beleuchtungen sind reflektierende und spiegelnde Oberflächen sowie Objekte mit gewölbten Oberflä-chen, z.B. um Beschriftungen auf Dosenböden zu inspizieren. (FLDM-Si100-R24)

Durchlicht

Im Durchlicht werden die Außenkontur bzw. das Profil eines Teils besonders deutlich her-vorgehoben. Auf dem Teil selbst vorhandene Strukturen sind hingegen in dieser Anord-nung nicht sichtbar. Eine Durchlichtbeleuch-tung ist jedoch in vielen Fällen problema-tisch hinsichtlich der Einbausituation.

Transparente Objekte

Bei der Detektion erhabener oder vertiefter Strukturen auf transparenten Objekten – wie zum Beispiel eines in eine Glasplatte ge-laserten DataMatrix-Codes – kann das Pro-blem von Doppelkonturen auftreten (infolge von Reflexionen an Vorder- und Rückseite). Deshalb sollte der Sensor stets senkrecht zur Oberfläche angeordnet sein, während das (externe) Licht seitlich einfällt. Zum Ein-satz kann hier entweder ein Flächen- oder ein Ringlicht kommen.

LICHTINTENSITäT UND LICHTFARBE

Beleuchtungsintensität und Shutter

Die Intensität der Beleuchtung lässt sich bei fast allen Vision-Sensoren indirekt über die Belichtungszeit (Shutteröffnungszeit) und die Verstärkung (Gain) des Sensors an-passen.

FALTEC-Beleuchtungen der Falcon Illumination MV GmbH & Co. KG durch-laufen nach der Fertigung eine Funktionskontrolle nach DIN ISO 9001. Vor Aus-lieferung wird jede Beleuch-tung nochmals auf die volle Funktionsfähigkeit geprüft. Sie erhalten eine 100% in-takte LED-Beleuchtung.

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Falcon Illumination MV GmbH & Co. KGFasanenweg 774254 OffenauDeutschlandTelefon: 0 (049) 7136 9686-0Fax: 0 (049) 7136 9686-10Mail: info@falcon-illumination.deWeb: www.falcon-illumination.de

SensoPartIndustriesensorik GmbHNägelseestraße 1679288 GottenheimDeutschlandTelefon: 0 (049) 7665 / 94769-797Fax: 0 (049) 7665 / 94769-730E-Mail: info@sensopart.deWeb: www.sensopart.de

Generell sind kurze Shut-terzeiten, entsprechend sehr hellen Beleuchtungen, anzustreben, da das Be-leuchtungsszenario so weit-gehend von der Sensorbe-leuchtung definiert wird und Umgebungsl ichtschwan-kungen nur einen geringen Einfluss auf die Funktion der Anwendung haben. Bei bewegten Teilen lassen sich durch kurze Belichtungszei-ten (z.B. durch ein Blitzlicht) zudem Bewegungsunschär-fen infolge zu langer Belich-tungszeiten eliminieren.

Um in Anlagen, in denen auch Personen an Handar-beitsplätzen arbeiten, ein störendes „Blitzlichtgewit-ter“ zu vermeiden, empfiehlt sich der Einsatz von nicht sichtbaren Infrarotbeleuch-tungen. Diese können fer-ner zur Nutzung spezieller Beleuchtungseffekte genutzt werden, beispielsweise zum Hervorheben bzw. Unterdrü-cken bestimmter Farb- oder sonstiger Oberflächenmerk-male.

Farbige Beleuchtungen

Durch Einsatz farbiger Beleuchtungen oder Farbfilter können ebenfalls gesuchte Teilemerkmale hervorgehoben oder „un-sichtbar“ gemacht werden. So erscheint zum Beispiel eine schwarze Beschriftung auf einem roten Kunststoffteil mit maximalem Kontrast, wenn ein monochromer Sensor mit Rotlichtbeleuchtung verwendet wird, da der rote Hintergrund sehr viel Licht reflek-tiert und somit sehr hell erscheint, während die schwarze Schrift kaum reflektiert.

Wenn hingegen dasselbe Teil mit Grünlicht beleuchtet wird, verschwindet der Kontrast zwischen rotem Hintergrund und schwarzer Schrift fast völlig, da der rote Kunststoff-hintergrund fast kein Licht der Komplemen-tärfarbe Grün reflektiert und die schwarze Schrift sich von dem – nun ebenfalls fast schwarz erscheinenden – Hintergrund kaum mehr abhebt. Auf diese Weise ließe sich so-mit das Merkmal „schwarze Schrift“ unter-drücken.

Durch die Kombination einer Rotlichtbe-leuchtung mit einem vor dem Sensor an-gebrachten Rotlicht-Bandpassfilter lassen sich ferner störende Umgebungslichteffekte weitgehend unterdrücken, sodass auf eine Abschattung der Anwendung verzichtet werden kann. |

Weiße, keramische, unglasierteTeile liegen wahllos auf einer weißen unglasierten keramischen Platte.Aufgabe: Ein Roboter soll diese undefiniert liegen-den Teile greifen und sortieren (Backlight FLFL-SI200-W)

Flächenbeleuchtung für den Einsatz bei transparen-ten Objekten (FLDL-TP-Si100-R24)

AUTOR Dipl.-Inf.Christian OttHead of Product-Management Vision bei SensoPartGottenheim

RESÜMEE

Wie die umseitigen Beispiele zeigen, ist die Wahl der optimalen Beleuchtungsart stark von der Anwendung abhängig und erfordert in der Regel eine Einzelfallbetrachtung. Einige allge-meine Hinweise lassen sich dennoch geben:

4Die Mehrzahl der Anwendungen lässt sich mit Hellfeld- oder Dunkelfeldbeleuchtung über die im Vision-Sensor integrierte Beleuchtung lösen. Deshalb sollten zuerst verschiedene Ausrichtungen des Sensors zum Objekt getestet werden.

4Mittels Dunkelfeldbeleuchtung können Kanten an konturierten Objekten (z.B. von gegen-über der Objektoberfläche erhabenen oder vertieften Strukturen) hervorgehoben werden. Dies funktioniert auch über ganze Teileserien sehr robust, da diese Kanten über die Serie weniger variieren als die Oberflächen, die oft von stark glänzend bis ölverschmiert oder korrodiert streuen können. Die Dunkelfeldanordnung kann entweder mit der im Sensor integrierten Beleuchtung durch Verkippung der Sensorachse gegenüber der Oberfläche des Prüfobjektes, oder durch die frontale Sensoranordnung und die in einem flachen Winkel zur Objektoberfläche einfallende externe Beleuchtung realisiert werden.

4Mittels Hellfeldbeleuchtung kann der Glanz von stark reflektierenden Bauteiloberflächen zu deren kontrastreichen Hervorhebung genutzt werden. Dabei muss sichergestellt sein, dass die Oberfläche über alle Serienteile glänzend, und die Winkelausrichtung der Tei-leoberfläche gut reproduzierbar ist. Die Hellfeldanordnung kann entweder mit der im Sensor integrierten Beleuchtung durch senkrechte Ausrichtung der Sensorachse zur Objektoberflä-che, oder durch eine im exakt gleichen Winkel zur Objektoberfläche gegenüberliegenden Anordnung von Sensor und (externer) Beleuchtung realisiert werden.

4Die Dunkelfeldbeleuchtung ist wegen ihrer robusteren Funktion und der geringeren Win-kelabhängigkeit wo immer möglich vorzuziehen.

4Lässt sich mit der integrierten Beleuchtung kein befriedigendes Ergebnis erreichen, emp-fiehlt sich die „Entkopplung“ von Detektions- und Beleuchtungsrichtung durch den Einsatz einer externen Lichtquelle. Zur Verfügung stehen die Varianten Flächenlicht, Ringlicht und Durchlicht, wahlweise mit Weiß-, Rot- oder Infrarotlichtquelle. Durch Variation der Parameter Messabstand, Detektions- und Beleuchtungswinkel lässt sich nahezu für jede Messaufgabe eine geeignete Lösung finden.

4Zur Vermeidung von Reflexionen, insbesondere auf gewölbten oder chaotisch geformten, stark reflektierenden Oberflächen, empfiehlt sich der Einsatz einer diffusen Beleuchtung (so genannte diffuse Dom- oder Tunnelbeleuchtung).

4Bei Strukturen auf transparenten Objekten oder zur Außenprofilerkennung kann – soweit in der gegebenen Einbausituation realisierbar – eine Durchlichterkennung das beste Ergeb-nis liefern.

Der Autor, Dipl.-Inf. Christian Ott, ist Mitarbeiter der SensoPart GmbH in Gottenheim

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