Jan Sandvoss: »Mit einem geeigneten Polarisations-system lässt sich die dritte Dimension des Lichts zum Vorschein bringen und für die industrielle Bildverarbeitung nutzbar machen – also Eigenschaften und Defekte erkennbar werden lassen, die mit keiner anderen Methode sichtbar sind«.

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Was ist der wesentliche Unterschied zwischen unpolarisiertem und polarisiertem Licht?

Sandvoss: Unpolarisiertes Licht besteht aus vielen Wellen, die zufällig in verschie-denen Richtungen schwingen – etwa das Licht von Glühlampen oder das Sonnen-licht. Diese Form der Beleuchtung hat in der industriellen Bildverarbeitung den Nachteil, dass sich vor allem bei Prüf-objekten mit glänzenden Oberflächen Reflektionen in Teilbereichen praktisch nicht vermeiden lassen. Polarisiertes Licht hingegen bedeutet, dass alle von einer der Lichtquelle ausgehenden Wellen die gleiche Polarisation aufweisen und somit in den Richtungen der elektrischen Felder übereinstimmen. Durch die geschickte Nutzung von polarisiertem Licht lassen sich somit unerwünschte Reflektionen ausfiltern. 

Die Unterschiede

Polarisationsaufnahmen und die Abbildung auf dem HSV-Farbraum erlauben die Visualisierung von Spannungen im Material, hier in der Struktur eines Lineals.

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Seit wann ist die Polarisation für die Bildverarbeitung interessant?

Sandvoss: Sony hat im Herbst 2018 einen CMOS-Bildsensor vorgestellt, dessen auf Pixelebene integrierte Polarisationsfunktionen die Lösung bestimmter Aufgabenstellungen ermöglichen. Seitdem hat das Thema in der Bildverarbeitung deutlich an Fahrt aufgenommen. Der Sensor kann Licht in vier Ebenen mit 0°, 45°, 90° und 135° filtern und nur den Teil des Lichts durchlassen, der parallel zur optischen Achse des jeweiligen Polarisators schwingt. 

Einige Hersteller von Industriekameras haben auf Basis dieses Sensors Produkte vorgestellt: Stemmer Imaging etwa arbeitet hier mit Allied Vision, JAI und Teledyne Dalsa zusammen. Wie bei Flächenkameras sind auch hier vier Polarisationsfilter mit verschiedenen Polarisationswinkeln realisiert, die direkt erfasst werden können. Sowohl bei Flächen- als auch bei Zeilenpolarisations-kameras ist es jedoch möglich, durch die Interpolation aus den vier Haupt-richtungen auch andere ‚virtuelle‘ Polarisationswinkel zu errechnen, um die optimale Ausrichtung für unterschiedliche Aufgabenstellungen zu erzielen.

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.

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Wie unterscheiden sich Bilder von Polari­sationskameras und Bilder herkömmlicher Kameras?

Sandvoss: Grundlage für Polarisations-bilder ist der so genannte Stokes-Vektor, über den sich die Polarisation des Lichts quantitativ bestimmen und mathema-tisch darstellen lässt. Dieser Vektor besteht aus vier Werten, mit denen sich die Richtung und Intensität und somit der Grad der linearen, zirkularen oder elliptischen Polarisation elektro-magnetischer 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 des linearen Polarisationsgrads und des -winkels verwenden. Zur besseren Visualisierung können diese Bilder auch auf dem HSV-Farbraum abgebildet werden, um zum Beispiel Spannungen in der Struktur von Objekten aus Kunststoff einfacher darzustellen. Auch die nachfolgende Bildauswertung wird durch diese Darstellungsform vereinfacht.

Peter Stiefenhöfer ist Inhaber von PS Marcom Services in Olching.

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Welches Equipment ist zur Aufnahme von Polarisationsbildern nötig?

Sandvoss: Neben einer Polarisations-kamera sind auf der Hardware-Seite passende Beleuchtungen und Optiken erforderlich, um qualitativ hochwertige Bilder aufnehmen zu können. Zur Auswertung von Polarisationsbildern enthalten einige Software-Umgebungen, wie unter anderem die von Stemmer Imaging entwickelte Software-Bibliothek ‚Common Vision Blox‘, bereits die passenden Tools.