Zwei Drittel ist Beleuchtung

Licht und Schatten: Eine falsche Ausleuchtung und Position der Objekte außerhalb der Bildmitte des Sensors verursachen unerwünschte perspektivische Effekte.

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Kaum ein Aspekt wird beim Einsatz von Bildverarbeitungssensoren so häufig unterschätzt wie die Beleuchtung. Sie bestimmt zu zwei Dritteln die Zuverlässigkeit einer Bilderverarbeitungslösung, da Helligkeit und Richtung des Lichtes die Bilddarstellung und das Prüf-Ergebnis entscheidend beeinflussen. Bildverarbeitungsalgorithmen „leben“ quasi von Grauwert-Übergängen. Zu viel Licht kann daher die Bildinformation – die Beurteilungsmerkmale – zerstören. Überbelichtung oder auch eine zu starke Sättigung lassen sich nur vermeiden, indem die hellsten Grauwerte der Abbildung um rund 10 % kleiner sind, als der bei weiß erreichte Maximalwert (255).

Überdies beeinflusst die Farbe des Lichts die Darstellung eines Prüflings sowie des Hintergrundes, auf dem sich ein Prüfobjekt befindet. Ein Beispiel: Bei einer in rot, grün und blau aufgeteilten Oberfläche wird bei roter Beleuchtung der rote Bereich aufgrund der gleichen Wellenlängen als weiße Fläche ausgegeben. Eine farbige Oberfläche, die der Lichtfarbe entspricht (rot-rot), wird als helles Schwarzweiß-Abbild dargestellt. Ist die Farbe des Prüflings jedoch komplementär (ergänzend) zur Beleuchtungsfarbe, wird die Oberfläche als dunkle Schwarzweiß-Darstellung abgebildet. Eine orangefarbene Oberfläche würde dementsprechend bei Beleuchtung mit ihrer Komplementärfarbe Blau als schwarze Fläche abgebildet.

Die Lichtfarbe beeinflusst die Darstellung von Prüfling und Hintergrund. Eine der Lichtfarbe entsprechende, farbige Ober­fläche wird in Grauwerrten abgebildet. Ist die Farbe des Prüflings komplementär zur Beleuchtungsfarbe, ist dessen Abbild schwarz.

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Für eine kontrastreiche Abbildung des Prüfobjektes darf die Wahl der richtigen Beleuchtungsfarbe nicht unterschätzt werden. Wenigstens drei Beleuchtungsfarben sollten daher bei einem Kamerasensor zur Auswahl stehen. Bei der korrekten Ausleuchtung von zu prüfenden Teilen ist darüber hinaus deren Entfernung zur Lichtquelle von Bedeutung. Laut dem fotometrischen Entfernungsgesetz nimmt die Beleuchtungsstärke E (die Lichtstärke pro Flächenelement) quadratisch mit der Entfernung zur Lichtquelle ab. Je weiter die Beleuchtung von einem Prüfling entfernt ist, desto heller sollte die Lichtquelle sein. Alternativ zur Einstellung der Bildhelligkeit über die Lichtquelle lässt sich die Beleuchtungsintensität ebenso durch die Belichtungszeit des Bildaufnehmers anpassen.

Ein Kamera-Objektiv muss einen Prüfling möglichst maßstabsgetreu, scharf, kontrastreich, farbtreu und gleichmäßig abbilden. Soweit die Theorie. Praktisch haben alle Objektive immer Abbildungsfehler, die Effekte wie Verzerrungen, Verzeichnungen sowie perspektivische Fehler verursachen können. Letztere treten gerne in Kombination mit der Beleuchtung auf. Diese Effekte sind häufig dann zu be­obachten, wenn sich das Objekt nicht in der Bildmitte des Sensors befindet. Diesem Aspekt muss daher besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden.

Prüfling innerhalb der Schärfentiefe bewegen

Um ein möglichst scharfes Bild des Prüfobjekts zu erhalten, braucht es gewisse Kenntnisse hinsichtlich der Schärfentiefe von Objektiven. Innerhalb des als Schärfentiefe bezeichneten Bereichs werden die Gegenstände im Objektraum eines abbildenden optischen Systems hinreichend scharf dargestellt. Für den praktischen Einsatz von Bildverarbeitungssystemen bedeutet das: Ein Prüfling darf nur im Bereich der Schärfentiefe bewegt werden, damit sich dessen Abbild auf der Bildebene nicht merklich verschlechtert.

All-in-one-Kamerasensoren haben vor diesem Hintergrund den Vorteil, dass die maximale optische Schärfe über den Arbeitsabstand zum Prüfling vorgegeben wird. Der Vorteil: Ohne einstellbares Objektiv besteht keine Gefahr einer Fehlbedienung oder Sabotage. Darüber hinaus sind diese Lösungen bei einem Defekt ohne aufwendige Neujustage oder Voreinstellungen schnell austauschbar.

Werkzeugabnutzung verfälscht Bildauswertung

Ein unscharfes Abbild des Prüflings kann ebenso entstehen, wenn sich Objekt oder Kamerasensor bewegen, zum Beispiel durch Schwingungen. Diese Bewegungsunschärfe fällt umso größer aus, je länger die Belichtungszeit ist. Bei der Detektion von Prüflingen, die sich sehr schnell bewegen, ist demnach auch die Wahl der richtigen Belichtungszeit relevant. Oftmals sind es optische, mechanische oder chemische Einflüsse, die das Abbild eines Prüflings verändern. Eine typische mechanische Einflussgröße stellt der Abnutzungsgrad eines Werkzeugs dar. Wird ein Objekt mit einem scharfen Schneidstempel aus einem Metallteil gestanzt, sind die Kanten dieses Objekts im Abbild des Kamerasensors deutlich ausgeprägt. Mit zunehmendem Verschleiß des Stempels wird die Objektkante jedoch rund. Ein Teil des Lichts, das von oben auf die Objektkante trifft, wird daher nicht zum Objektiv reflektiert, sondern streut. Gestanzte Löcher erscheinen dadurch mit zunehmendem Verschleiß des Werkzeugs im Abbild des Kamerasensors größer, als sie in Wirklichkeit sind.

Ebenso verändert Korrosion das Abbild eines Prüflings, da die Oberfläche im Vergleich zu einer glänzenden Oberfläche ein anderes Reflexionsverhalten aufweist. Somit liegt auch hier eine nennenswerte Beeinflussung vor, die es zu beachten gilt. Optische Einflussfaktoren entstehen vor allem durch die Farbe von Prüflingen. Wechselt etwa die Oberfläche eines Prüflings von hell auf dunkel, wirkt sich diese Veränderung auf die Graustufendarstellung des Kamerasensors aus, da helle Oberflächen das Licht stärker reflektieren als dunkle. Oft treten die Einflussfaktoren in Kombination auf. Ein Ölfilm (chemisch) auf Oberflächen ändert das Reflexionsverhalten und damit das optische Verhalten des Prüflings im Abbild des Kamerasensors.

Autor: Uwe Kleinschmidt ist bei der Firma ipf electronic im Produktbereich Kamerasensorik für die technische Beratung zuständig.