Ein Blick in die Automotive-Industrie verdeutlicht schnell die Bedeutung der Kontrolle von Farbvorgaben: Hersteller legen hier extremen Wert darauf, dass Bedien- und Anzeigeelemente sowie Cockpit- und Ambientebeleuchtungen in ihren Fahrzeugen farblich exakt aufeinander abgestimmt sind. In der Medizintechnik müssen LED-OP-Leuchten und viele andere Komponenten genauen Vorgaben entsprechen, um die strengen Auflagen dieser Branche zu erfüllen. So muss vor der Montage dekorativer Kunststoffkomponenten wie zum Beispiel Blenden an Geräten und Systemen häufig nicht nur aus ästhetischen Gründen sichergestellt werden, dass die verwendeten Farben zueinander passen, denn die Wertschöpfung steigt mit jedem Montageschritt – und ein Austausch farblich aus dem Rahmen fallender Teile wird zu einem späteren Prozessschritt immer teurer oder sogar unmöglich.

Für derartige Aufgabenstellungen hat Systec bereits in der Vergangenheit Systeme entwickelt, mit denen sich Farbort, Leuchtdichte und optische Homogenität überprüfen lassen. Nun kommt mit der Multispektralkamera ‚MSC 8X8‘ eine Weiterentwicklung für lichttechnische Analysen auf den Markt. Durch den Einsatz eines speziellen Doppelfilterrades stehen Anwendern zweimal acht übereinander liegende Filterplätze zur Verfügung, die automatisiert in den Strahlengang gebracht werden können. Daraus ergeben sich 64 unterschiedliche Filterkombinationen.

Ein zweites wesentliches Element der Entwicklung ist eine CMOS-Industriekamera des dänischen Herstellers JAI vom Typ Spark. Diese verfügt über eine Auflösung von 45 Megapixeln sowie eine Bittiefe von 14 Bit und arbeitet mit einem HDR-Modus (High Dynamic Range). In Kombination mit den Filtern der MSC 8X8 ermöglicht diese Eigenschaften genaue lichttechnische Analysen, um Werte wie Leuchtdichte, dominante Wellenlänge und Farbort zu bestimmen.

45 Megapixel Auflösung, eine hohe Aufnahmegeschwindigkeit und die schnelle CoaXPress-Schnittstelle der JAI Spark sorgen für die Leistungsfähigkeit der Multispektralkamera von Systec.

© JAI

Das System eignet sich sowohl für den Inline-Einsatz in kontinuierlichen Produktionsanlagen als auch für Offline-Anwendungen zum Beispiel im Labor oder zur Stichprobenprüfung. Die ursprüngliche Motivation jedoch stammt aus dem Inline-Betrieb, daher wählte Systec eine Spark-Variante mit Global Shutter, einer maximalen Bildaufnahmefrequenz von 38 Bildern/s und einer CoaXPress-Schnittstelle mit zwei oder vier Kanälen, die eine Datenübertragungsrate von bis zu 6,25 Gbps pro Kanal an den auswertenden Rechner ermöglicht. Abhängig von der eingestellten Belichtungszeit und den gewünschten Ausgabeparametern sind damit Taktzeiten ab 0,5 s für unterschiedliche Belichtungsstärken erzielbar

JAI unterstützte Systec nicht nur bei der Auswahl des geeigneten Kameramodells, sondern auch bei der Wahl des Objektivs, des passenden Objektivflansches und des richtigen Abstands von Objektiv zu Kamera. Zudem war ein optimales Wärmemanagement erforderlich, um möglichst rauschfreie Bilder aufzunehmen und somit die Grundlage für qualitativ hochwertige lichttechnische Analysen zu schaffen. Ein Peltier-Kühlaggregat sorgt daher in der Multispektralkamera für die aktive Kühlung des kompletten Systems und somit auch des Kamerasensors.

Flexibel im Einsatz

Das Multispektralkamerasystem wird zunächst auf Basis der in der jeweiligen Applikation gegebenen Anforderungen mit verschiedenen Filterkombinationen zusammengebaut und kalibriert. Derzeit existieren dafür zwei Bestückungen der beiden Filterräder, bei denen entweder drei CIE Tristimulus-Filter oder mehrere Filter für multispektrale Messungen eingesetzt werden. Darüber hinaus sind individuelle Bestückungen nach Kundenanforderung möglich.

Abhängig von den erforderlichen Ausgabeparametern führt die zugehörige Software anschließend eine automatisierte Snap-Sequenz mit verschiedenen Filterkombinationen durch. Die RAW-Bilddaten werden dabei mit Hilfe der für die jeweilige Kamera-/Filterkombination hinterlegten Kalibrierfunktionen in gültige physikalisch-technische Einheiten, das heißt in Messwerte umgewandelt. Die Algorithmen für alle erforderlichen Berechnungen sind bereits in der zugehörigen Software integriert, sodass Anwender ihr System ohne langwierige Vorbereitungen einsetzen können.
Aktuell ist das System für die Integration in Testsysteme von Systec ausgelegt. Damit erhalten Kunden eine auf ihre Bedürfnisse abgestimmte Komplettlösung inklusive der Software. Anwender mit Bildverarbeitungs-Know-how können das System auch separat beziehen und in eigene Applikationen integrieren oder als Stand-alone-System im Laboreinsatz nutzen.

Aussagekräftige Ergebnisse

Im Einsatz liefert das Multispektralkamerasystem Messwerte für die Beleuchtungsstärkeverteilung, die Lichtstärkeverteilung, die Farbkoordinaten, die dominante Wellenlänge, die diskrete Spektralcharakteristik sowie die korrelierte Farbtemperatur. Mit diesen Angaben sind aussagekräftige Tests in der Wareneingangskontrolle, zur Qualitätssicherung in der Produktion und viele weitere Anwendungen möglich.

Peter Stiefenhöfer ist Inhaber der PS Marcom Services in Olching.

© PS Marcom

Ein Beispiel: Der Zulieferer eines deutschen Sportwagenherstellers setzt das System in einem End-of-Line-Testsystem für Cockpitkomponenten ein. Es stellt sicher, dass keine Produkte mit falsch bestückten Beleuchtungskomponenten wie LEDs mit falscher Wellenlänge oder Helligkeit ausgeliefert werden, was zu Kundenreklamationen führen würde. Zudem wird so die Gefahr ausgeschlossen, dass Fahrer bei einer fehlerhaften Einmessung oder Kalibrierung geblendet werden, wenn in der Nacht die Grenzwerte für die maximale Helligkeit überschritten werden.

Auch bei Monitoren in der Medizintechnik ist es sehr wichtig, dass Leuchtdichte und Homogenität den Anforderungen entsprechen: Sie ersetzen bei der Darstellung von Röntgenaufnahmen die klassischen Aufnahmen vor einem Leuchtschirm und dürfen keine Schwankungen in der Homogenität aufweisen, da dies im schlimmsten Fall zu Fehlinterpretationen durch den Arzt führen kann.