4 min

Das optimale Licht für die Bildverarbeitung

Wie finde ich die passende Beleuchtung für die Bildverarbeitung?

Der Einfluss der richtigen Beleuchtung wird in der Bildverarbeitung oft unterschätzt. Dabei lässt sich bei Berücksichtigung einiger Grundsätze die Auswahl stark eingrenzen. Praxisversuche sind zur Bestimmung der geeigneten Beleuchtung oft hilfreich. Zuletzt kann auch ein Gespräch mit einem erfahrenen Experten die eigene Auswahl absichern.

Die Beleuchtung wird bei den meisten Bildverarbeitern als notwendiges Übel angesehen. Die Auswahl von Kamera und Optik, die mechanische Realisierung und die Parametrisierung des Systems sind so anspruchsvoll und zeitaufwendig, dass für die Auswahl der geeigneten Beleuchtung kaum noch Zeit bleibt. Dabei lässt sich durch eine optimale Auswahl des Lichts bei der Programmierung so viel Zeit einsparen, dass eine fehlerfrei laufende Anwendung in viel kürzerer Zeit erreicht wird. Eine schnellere Umsetzung bedeutet geringere Kosten und eine effizientere Applikation.

Beeinflussende Parameter

Bei der Auswahl der Beleuchtung sind zuerst die beeinflussenden Parameter zu erfassen und zu bewerten. Den größten Einfluss auf die Wahl der Beleuchtung hat das zu beleuchtende Objekt selbst. Größe und Reflexionsgrad sind die bestimmenden Parameter, wobei die Prüfaufgabe immer im Vordergrund steht. Des Weiteren spielen die Umgebungsbedingungen eine entscheidende Rolle. Neben den Platzverhältnissen entscheiden auch die äußeren Lichtverhältnisse über die Auswahl. Die Auswertesoftware ist einfacher zu konfigurieren und liefert verlässlichere Ergebnisse, wenn konstante Helligkeits- und Kontrastverhältnisse herrschen. Ist eine Applikation Tageslichteinflüssen ausgesetzt, kann das Umgebungslicht von einigen wenigen Lux bei Nacht bis zu vielen Tausend Lux bei Sonnenschein reichen. Das Licht ist also so hell zu wählen, dass äußere Einflüsse die Aufnahmen nicht beeinträchtigen.

Zwei Beleuchtungsvarianten

Es gibt zwei grundsätzlich unterschiedliche Beleuchtungsmöglichkeiten (Bild 1). Soll lediglich die Kontur eines Objekts vermessen werden und kann die Beleuchtung unterhalb des Objektes positioniert werden, kommt die Durchlichtbeleuchtung zum Einsatz. Ein Leuchtfeld wird unterhalb des Prüfobjekts platziert und die Kamera nimmt von der entgegengesetzten Seite ein Schattenbild des Objekts auf. Das Ergebnis ist ein kontrastreiches Bild, das sich sehr genau und einfach auswerten lässt. Ist eine Durchlichtbeleuchtung nicht möglich, können mit einer Dunkelfeldbeleuchtung Objektkanten hervorgehoben und somit ebenfalls die Konturen vermessen werden.

Die zweite Möglichkeit ist die Auflichtbeleuchtung. Bei wenig anspruchsvollen Prüfobjekten, die nicht reflektieren oder geringe Anforderungen an die Prüfgenauigkeit haben, kommt die Ringbeleuchtung zum Einsatz. Je nach Arbeitsabstand und Objektgröße wird ein geeignetes Ringlicht ausgewählt. Schmale oder längliche Objekte können durch ein oder mehrere Linienlichter in größerem Abstand ausgeleuchtet werden. Dafür stehen einreihige, zweireihig parallele oder vierfach quadratische Linienlichter zur Verfügung. Bei sehr großen Arbeitsabständen sind Strahler eine unkomplizierte Alternative, die meist durch eine einseitige Ausleuchtung zu nicht ganz so guten Ergebnissen führen. Handelt es sich um räumliche Objekte, so kann Schattenwurf auftreten, der die Messergebnisse beeinflusst. Bei unerwünschtem Schattenwurf besteht die Möglichkeit, ein Ringlicht durch eine koaxiale Beleuchtung zu ersetzen, die durch die Parallelität von Bildstrahlen und Licht einen Schattenwurf zwar nicht ganz beseitigt, aber erheblich reduziert.

Reflektierende Objekte

Die Ausleuchtung von reflektierenden Prüfobjekten ist wesentlich anspruchsvoller und erfordert meist Tests mit unterschiedlichen Beleuchtungstechniken. Die Verwendung eines Ringlichts mit Polarisator/Analysator kann „Wunder“ bei der Reduzierung von Reflexionen bewirken. Der Vorteil hierbei ist der große Arbeitsabstand. Nachteilig wirken sich die geringere Lichtausbeute und der mögliche Schattenwurf aus. Reflektierende Objekte lassen sich auch mit einer Dombeleuchtung ausleuchten. Ein Dom erzeugt diffuses Licht, vergleichbar mit einem bewölkten Himmel. Der Arbeitsabstand beträgt etwa 30 bis 50 Millimeter.

Der Dom sollte dabei mindestens 20 bis 40 Millimeter größer sein als das Objekt. Bei stark reflektierenden Objekten wird in einigen Fällen die Öffnung für das Objektiv als störender Schatten im Bild dargestellt, der aber durch eine kleine aufgesetzte Koaxialbeleuchtung eliminiert werden kann. Für den Einsatz an Fließbändern gibt es die Sonderbauform der Tunnelbeleuchtung, die durch offene Seiten den Transport der Objekte auf dem Band ermöglicht.

Die Lichtfarbe

Neben Bauform und Größe der Beleuchtung kann auch die Lichtfarbe entscheidend zu einer optimalen Beleuchtung beitragen (Bild 2). In über 90 Prozent aller Anwendungen kommt bei Schwarz-Weiß-Kameras rote Beleuchtung zum Einsatz, weil diese preiswert verfügbar ist und viele Schwarz-Weiß-Kameras im roten Wellenlängenbereich am empfindlichsten sind. Bei Farbkamera-Anwendungen ist Weiß als Lichtfarbe notwendig. Durch die Verwendung von Komplementärfarben kann bei auszuwertenden Objekten der Kontrast deutlich erhöht und das Bild für die Bildverarbeitung optimiert werden.

Bei organischen Stoffen oder Bedruckungen kann bei manchen Anwendungen Fluoreszenz einen beeindruckenden Effekt erzeugen (Bild 3). Bei einer Beleuchtung in der passenden Wellenlänge emittieren manche Stoffe sichtbares Licht und erzeugen so einen hervorragenden Kontrast für eine automatische Auswertung.

Bild 3: Aufgedruckter Code, der bei UV-Licht fluoresziert und bei 365 nm Wellenlänge die maximale Fluoreszenz erreicht. Bei sichtbarem Licht ist der Code nicht zu erkennen.

Bildnachweise: Soweit nachfolgend nicht anders aufgeführt bei der Polytec GmbH. Titelbild: ©istock.com/wacomka