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INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2020

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INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2020

Spotlight on Einsatz von

Spotlight on Einsatz von Kamerasensoren mithilfe besonderer Beleuchtungstechniken Spezifische Merkmale an Objekten zu prüfen, ist zumeist eine Aufgabe von Kamerasensoren. Die Art der Beleuchtung sowie deren Position zum Prüfling spielt hierbei eine entscheidende Rolle. Eine Möglichkeit ist die sogenannte Dunkelfeldbeleuchtung. Welche Techniken es hierbei gibt, worauf Anwender achten sollten und welche Anwendungen dafür prädestiniert sind, lesen Sie hier. Damit ein Kamerasensor spezifische Objektmerkmale prüfen kann, muss dessen Bildverarbeitung eine verwertbare Abbildung erhalten. Hierzu ist u. a. eine scharfe sowie kontrastreiche Darstellung erforderlich, die die zu prüfenden Objektmerkmale deutlich hervorhebt. Die Wahl der richtigen Beleuchtung ist wichtig, da sie die Prüfergebnisse maßgeblich beeinflusst, vor allem, wenn die Prüfmerkmale eines Objektes von Bauteil zu Bauteil variieren. Immerhin hat eine korrekte Beleuchtung einen Anteil von mehr als Zweidrittel am Erfolg einer konkreten Applikationslösung. Die Richtung der Lichtstrahlen ist entscheidend Prinzipiell sind zu diesem Thema die Beleuchtungsart und -richtung sowie diverse Beleuchtungstechniken relevant. Bei der Beleuchtungsart wird zwischen Auflicht und Durchlicht unterschieden. Die Lichtquellen von Auflichtbeleuchtungen befinden sich oberhalb einer Objektebene. Durchlichtbeleuchtungen sind hingegen unterhalb einer Objektebene angeordnet. Sowohl bei Auflicht als auch bei Durchlicht lässt sich die Lichtquelle in verschiedenen Richtungen zu einem Prüfobjekt positionieren, sodass auf der Objektebene ein Hellfeld, partielles Hellfeld oder Dunkelfeld entsteht. In einem Hellfeld werden bei Auflicht die von einer Objektoberfläche reflektierten Lichtstrahlen direkt auf die Kameraoptik projiziert. Kombination aus Hellfeld und partielles Hellfeld Genaugenommen lässt sich ein absolutes Hellfeld nur durch eine telezentrische Beleuchtungstechnik erzeugen. Bei dieser Technik haben die Lichtstrahlen keinen Öffnungswinkel und treffen daher aufgrund einer speziellen Richtoptik parallel zur Kameraoptik auf ein Prüfobjekt. Daher ist zur Beschreibung der Beleuchtungsrichtung ein „partielles Hellfeld“ erforderlich. Dieses wird bei Auflicht durch eine gerichtete oder diffuse koaxiale Beleuchtung in den Randbereichen eines Objektes erzeugt, während sich das Hellfeld im Bereich der Objektmitte befindet, wenn ein Prüfling unmittelbar unterhalb der Kameraoptik positioniert ist. Bei Durchlicht entsteht ein Hellfeld, indem die Lichtstrahlen von unten, beispielsweise durch eine Bohrung in einem Objekt oder durch einen transparenten Prüfling hindurch, zur Kameraoptik geleitet werden. Gängige Praxis: Hellfeldbeleuchtungen mit Auflicht Im praktischen Einsatz von Kamerasensoren werden Prüfobjekte überwiegend von oben angeleuchtet, also durch eine Auflichtbeleuchtung, welche ein Hellfeld (partielles Hellfeld) erzeugt. Für viele Anwender ist diese Beleuchtungsform naheliegend, da sie zumeist keine oder nur wenige Alternativen kennen. Darüber hinaus lässt sie sich einfach und unkompliziert realisieren, z. B. mit einer Standardbeleuchtung oder einer Kompaktkamera mit integrierter Lichtquelle. Solange es gelingt, das zu prüfende Merkmal kontrastreich im Kamerabild darzustellen, ist eine solche Auflichtbeleuchtung die richtige Wahl. Entsprechend vielfältig sind Dipl.-Ing. (FH) Christian Fiebach ist Geschäftsführer bei der ipf electronic GmbH in Altena 46 INDUSTRIELLE AUTOMATION 03/2020 www.industrielle-automation.net

01 Dunkelfeldbeleuchtungen werden zumeist in einem geringen Abstand zu einem Prüfobjekt positioniert, wie hier z. B. Linienlichter 02 Dunkelfeldbeleuchtung: Die Gravur hebt sich vom Hintergrund ab (li.). Im Vergleich: die Münze mit einer Hellfeldbeleuchtung (re.) die potenziellen Einsatzfelder: zum Beispiel die Prüfung von Objektgeometrien oder Produktkennzeichnungen wie Barcodes oder Mindesthaltbarkeitsdaten, aber auch die Prüfung spezifischer Eigenschaften von Objektoberflächen. Geht es allerdings darum, feine Oberflächenstrukturen bzw. Reliefs wie Prägungen oder Gravuren zu erfassen oder aber Objekte auf Fehler wie z. B. Kratzer oder Riefen zu prüfen, stoßen Auflichtlösungen, die ein Hellfeld erzeugen, schnell an ihre Grenzen, da die beschriebenen Merkmale im Kamerabild nicht mehr kontrastreich und damit deutlich hervortreten. Und genau hier können Dunkelfeldbeleuchtungen weiterhelfen. Klare Erkennung auf Basis weniger Reflexionen Beleuchtungstechniken zur Erzeugung eines Dunkelfeldes arbeiten sowohl bei Auf- als auch Durchlicht mit einer Art Streiflicht. Hierzu muss i.d.R. die Beleuchtung, z. B. Ringlichter, Linienlichter oder Spotlights, in einem geringen Abstand zum Prüfling positioniert werden, sodass die Strahlen der Lichtquelle seitlich über oder unter einer Objektebene hinwegstreifen. Gemäß dem Grundsatz „Einfallwinkel = Ausfallwinkel“ wird bei einer Dunkelfeldbeleuchtung mit Auflicht das vom Prüfobjekt reflektierte Licht zu einem Großteil auf Bereiche außerhalb der Kameraoptik gelenkt. Sie erfasst somit lediglich Reflexionen der Lichtstrahlen an Objektunebenheiten, wodurch Fehler, Defekte oder spezifische Objektmerkmale im Kamerabild gut als helle Bereiche erkennbar sind. Auch mit Durchlicht lässt sich eine Dunkelfeldbeleuchtung realisieren, allerdings nur bei transparenten Objekten zur Hervorhebung ganz spezifischer Merkmale. Ein gutes Beispiel ist in diesem Zusammenhang die Detektion von Kratzern auf einer Plexiglasscheibe. Unebenheiten zuverlässig prüfen Das Prinzip bzw. der Effekt ist hierbei ähnlich, wie bei einer Auflichtbeleuchtung, denn die Kratzer sind ebenfalls nichts anderes, als Unebenheiten, allerdings auf einer transparenten Objektoberfläche. Durch eine Dunkelfeld-Durchlichtbeleuchtung werden die von den Kratzern reflektierten Lichtstrahlen größtenteils in Richtung Kameraoptik projiziert, wodurch die Defekte als helle, deutliche Konturen im Kamerabild erkennbar sind, die sich kontrastreich und damit eindeutig vom Rest der Plexiglasscheibe abheben, die in der Bildausgabe des Kamerasensors als dunkler Bereich dargestellt ist. In der Praxis selten genutzt Immer dann, wenn feine Konturen wie Prägungen, Gravuren sowie Fehler auf ansonsten glatten, ebenen und auch stark reflektierenden nicht-transparenten Oberflächen zu detektieren sind, empfiehlt sich mit Blick auf ein äußerst kontrastreiches Kamerabild zumeist eine Dunkelfeldbeleuchtung mit Auflicht. Sollen indes bestimmte Merkmale bzw. Defekte an transparenten Objekten eindeutig hervorgehoben werden, verspricht i.d.R. eine Dunkelfeldbeleuchtung mit Durchlicht die besten Prüfergebnisse. Dennoch werden entsprechende Beleuchtungstechniken in der Praxis nur selten genutzt. Das mag daran liegen, dass solche Lösungen bei vielen Anwendern von Kamerasensorik zumeist unbekannt sind und zudem die potenziellen Einsatzfelder auf eine relativ überschaubare Anzahl an Applikationen begrenzt sind. Hinzu kommt, dass die Beleuchtung zur Erzeugung eines Dunkelfeldes zumeist nahe am Prüfobjekt positioniert sein muss, was deren Inte gration in hochautomatisierte Prozesse zusätzlich erschwert. Doch auch hierfür gibt es Lösungen z. B. linienförmige LED-Leuchten, die sich seitlich an Transportbänder montieren lassen. Bilder: ipf electronic www.ipf.de Alle 14 Tage NEU! Der E-Mail-Service für Konstrukteure, Entwickler, Systemintegratoren sowie Produktionsverantwortliche, die sich mit der Konstruktion und Entwicklung eigener Maschinen und Anlagen befassen. Aktuelle Nachrichten rund um neueste Entwicklungen, Trends und Veranstaltungen aus dem gesamten Bereich der Mess- und Automatisierungstechnik. NEW NEW SLETTER SLETTER Jetzt kostenlos anmelden! http://bit.ly/VFV_Newsletter www.industrielle-automation.net INDUSTRIELLE AUTOMATION 03/2020 47 INA_EA_Newsletter_1-4-quer_2020_01.indd 1 12.02.2020 09:54:57

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