Von Franz Schwarz

Zu den wichtigsten Einsatzfeldern von Vision-Sensoren gehören heute die Teile-Detektion mittels Muster- und Konturerkennung, die Farberkennung sowie die Identifikation von Barcodes und Data-Matrix-Codes. Dabei stellen die Sensoren hohe Ansprüche an die Beleuchtung. Je besser die Bildqualität, umso höher die Detektionssicherheit – denn selbst der beste Auswerte-Algorithmus kann im Nachhinein keine Details ergänzen, die bereits während der Aufnahme verloren gingen. Nicht umsonst gilt die richtige Beleuchtung als A und O für den Erfolg und die stabile, prozesssichere Funktion jeder Automatisierungsanwendung mit Vision-Sensoren.

Grundsätzlich lassen sich zwei Haupt-Beleuchtungsarten unterscheiden: die Hellfeld- und die Dunkelfeld-Beleuchtung. Bei der Hellfeld-Beleuchtung werden Sensor und Beleuchtung derart angeordnet, dass das Licht von der Oberfläche direkt in den Sensor reflektiert wird. Umgekehrt werden bei der Dunkelfeld-Beleuchtung Lichtquelle und Sensor so platziert, dass nur Streulicht, zum Beispiel von Kanten, direkt in den Sensor gelangt.

Die Hellfeld-Beleuchtung mit senkrechter Ausrichtung des Sensors zum Objekt kann wegen der – selbst auf schwarzen Kunststoff-Oberflächen – auftretenden Reflexionen problematisch sein, da diese das zu erkennende weiße Muster überstrahlen. In solchen Fällen empfiehlt es sich stattdessen, den Sensor mit integrierter Beleuchtung leicht gegenüber der Objekt-Oberfläche zu verkippen – typischerweise um 10 bis 20°, wodurch ein Dunkelfeld entsteht. Auf diese Weise lassen sich direkte Reflexionen des Hintergrundes vermeiden: Er erscheint dunkel, und zugleich werden weiße Aufdrucke, die diffus reflektieren, hervorgehoben. So entsteht ein stabiles, kontrastreiches Bild.

Selbst auf schwarzen Kunststoff-Oberflächen können bei Hellfeld-Beleuchtung Reflexionen auftreten. In der Regel ist daher die Dunkelfeld-Beleuchtung (unten) die bessere Alternative.

Auch bei Kunststoffteilen mit erhaben angespritzten Merkmalen wie Schriften oder ähnlichem ist die Hellfeld-Anordnung wegen der auftretenden Reflexionen nicht empfehlenswert. Eine Dunkelfeld-Anordnung durch eine zur Objekt-Oberfläche verkippte Ausrichtung des Sensors liefert bereits bessere Ergebnisse; optimal ist in solchen Fällen jedoch eine frontale Ausrichtung des Sensors mit flach einfallendem, seitlichen Licht aus einer externen Beleuchtungsquelle.

Bei der Detektion stark reflektierender Metall-Oberflächen hingegen ist die Hellfeld-Beleuchtung oft von Vorteil. Die Metall-Oberflächen werden durch Totalreflexion selbst vor weißem Hintergrund klar hervorgehoben, so dass keine Störungen vom nun dunkel erscheinenden Hintergrund auftreten können. Auf diese Weise lässt sich eine hohe Detektionssicherheit erreichen. Da der Effekt der Totalreflexion stark von Oberfläche und Winkelausrichtung abhängt, ist bei der Hellfeld-Beleuchtung auf die Stabilität dieser beiden Größen über die Serie zu achten.

Anspruchsvolle Beleuchtungssituationen

Besondere Anwendungen verlangen spezielle (Beleuchtungs-)Lösungen: Soll beispielsweise Schattenwurf an einem symmetrisch runden Teil vermieden werden, bietet sich eine Dunkelfeld-Anordnung mit einem externen Ringlicht an. Besteht das Risiko von Reflexionen und Überstrahlungen – wie bei der Muster-Erkennung oder Code-Lesung auf gewölbten Oberflächen –, kann diffuses Licht aus einer externen Dom- oder Tunnelbeleuchtung die richtige Wahl sein. Und last but not least gibt es die Möglichkeit, im Durchlicht zu arbeiten, wenn es auf die Erkennung von Außenkonturen ankommt und die baulichen Gegebenheiten dies zulassen.

Die Dunkelfeld-Variante mit seitlichem Lichteinfall aus einer externen Beleuchtungsquelle liefert deutlich bessere Kontraste und damit eine höhere Detektionssicherheit der erhabenen Strukturen (unten) als die frontale (Hellfeld-)Beleuchtung.

Ringlicht

Die Kontur eines runden Teils – zum Beispiel eines Zahnrads – wird durch ein Ringlicht klar und schattenlos sichtbar. Je nach Einfallswinkel des Lichtes, der sich durch Variation des Beleuchtungsabstandes regulieren lässt, können unterschiedliche Objekt-Details ins Licht gesetzt werden.

Diffuse Beleuchtung

Um Merkmale wie Schriften oder ähnliches auf zylindrischen, stark reflektierenden Metallteilen sicher erkennen zu können, ist der Einsatz einer diffusen Domoder Tunnelbeleuchtung unumgänglich. Dasselbe gilt für über die Serien chaotisch streuend geformten – und damit chaotisch streuend reflektierenden – Kunststoff- und Aluminiumfolien, wie sie für Arzneimittel-Blister und andere Verpackungen verwendet werden. Bei dieser Art der Beleuchtung ist das Licht nicht gerichtet, sondern fällt gleichmäßig aus vielen Richtungen ein (wie an einem bewölkten Tag). Durch solch diffuse Beleuchtung lassen sich starke Reflexionen vermeiden.

Durchlicht

Im Durchlicht werden die Außenkontur beziehungsweise das Profil eines Teils besonders deutlich hervorgehoben. Auf dem Teil selbst vorhandene Strukturen sind hingegen in dieser Anordnung nicht sichtbar. Eine Durchlichtbeleuchtung ist jedoch in vielen Fällen hinsichtlich der Einbausituation problematisch.

Transparente Objekte

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

Lichtintensität und Lichtfarbe

Bei der Detektion spiegelnder Oberflächen liefert die Hellfeld-Beleuchtung (oben) in der Regel bessere Ergebnisse.

Auch die Lichtintensität hat Auswirkungen auf die Qualität der Bildaufnahme. Die Intensität der Beleuchtung lässt sich bei fast allen Vision-Sensoren indirekt über die Belichtungszeit (Shutter-Öffnungszeit) und die Verstärkung (Gain) des Sensors anpassen. Generell sind kurze Shutterzeiten – entsprechend sehr hellen Beleuchtungen – anzustreben, da das Beleuchtungsszenario so weitgehend von der Sensorbeleuchtung definiert wird. Umgebungslichtschwankungen haben dann nur einen geringen Einfluss auf die Funktion der Anwendung. Bei bewegten Teilen lassen sich zudem durch kurze Belichtungszeiten, wie zum Beispiel ein Blitzlicht, Bewegungsunschärfen infolge zu langer Belichtungszeiten eliminieren.

Um in Anlagen, in denen auch Personen an Handarbeitsplätzen arbeiten, ein störendes „Blitzlichtgewitter“ zu vermeiden, empfiehlt sich der Einsatz nicht sichtbarer Infrarot-Beleuchtungen. Diese können zudem für spezielle Beleuchtungseffekte genutzt werden wie beispielsweise zum Hervorheben beziehungsweise Unterdrücken bestimmter Farb- oder sonstiger Oberflächenmerkmale.

Gesuchte Teile-Merkmale können darüber hinaus durch den Einsatz von farbigen Beleuchtungen oder von Farbfiltern hervorgehoben oder „unsichtbar“ gemacht werden. So erscheint zum Beispiel eine schwarze Beschriftung auf einem roten Kunststoffteil mit maximalem Kontrast, wenn ein monochromer Sensor mit Rotlicht-Beleuchtung verwendet wird; der rote Hintergrund reflektiert sehr viel Licht und erscheint somit recht hell, während die schwarze Schrift kaum reflektiert.

Wird hingegen dasselbe Teil mit Grünlicht beleuchtet, verschwindet der Kontrast zwischen rotem Hintergrund und schwarzer Schrift fast völlig: Der rote Kunststoffhintergrund reflektiert fast kein Licht der Komplementärfarbe Grün, und die schwarze Schrift hebt sich von dem – nun ebenfalls fast schwarz erscheinenden – Hintergrund kaum mehr ab. Auf diese Weise ließe sich somit das Merkmal „schwarze Schrift“ unterdrücken. Durch die Kombination einer Rotlicht-Beleuchtung mit einem vor dem Sensor angebrachten Rotlicht-Bandpassfilter lassen sich ferner störende Umgebungslicht-Effekte weitgehend unterdrücken, so dass auf eine Abschattung der Anwendung verzichtet werden kann.

Autor: Franz Schwarz  ist Produktmanager Vision Sensoren bei Sensopart in Gottenheim.