Die hohen Geschwindigkeiten, mit denen viele industrielle Prozesse heutzutage ablaufen, lassen Bildverarbeitungssystemen nur wenig Zeit, alle erforderlichen Informationen präzise zu erfassen. Multistrobe-Imaging mit Sequenzfunktion – wobei bei einem Durchlauf zwei oder mehr Aufnahmen erstellt werden – kann hier eine Lösung sein, weil mehrere Merkmale mithilfe unterschiedlicher Beleuchtungsszenarien geprüft werden können.

Unterschiedliche Fehler an Prüfteilen können je nach Fehlerart den Einsatz verschiedener Beleuchtungen erfordern. So sind beispielsweise Auflicht-Beleuchtungen in der Regel eine gute Grundlage, um Kratzer oder andere Defekte an Oberflächen zu erkennen, wohingegen die Maßhaltigkeit geometrischer Formen im Durchlicht meist einfacher zu beurteilen ist. Müssen Bauteile gleichzeitig auf vielfältige Fehlerarten untersucht werden, würden sich die verschiedenen Beleuchtungen im parallelen Betrieb gegenseitig stören. Somit ist eine sequenzielle Prüfung häufig unvermeidbar, was die Taktzeit erhöht. Gerade im Fall von Zeilenkameras steigt diese erheblich an, da das gleiche Objekt unter unterschiedlichen Beleuchtungsszenarien mehrfach gescannt werden muss.

Eine effiziente Alternative zu dieser Vorgehensweise hat der Bildverarbeitungsspezialist Rauscher während der letztjährigen Fachmesse Vision demonstriert. Entscheidendes Element des dort gezeigten Systems ist ein Ipulse-Beleuchtungs-Controller des Rauscher-Partners Icore, erläutert Thomas Miller, einer der beiden Geschäftsführer von Rauscher: „Ipulse-Controller erlauben eine hocheffiziente Ansteuerung von Beleuchtungen, da sie sehr präzise Stromimpulse von weniger als 1 μs und Stromstärken bis 200 A erzeugen können. Dies ermöglicht eine stabile und präzise Strobe-Beleuchtung auch mit High-Power-LEDs.“ Der wesentliche Vorteil dieser Herangehensweise besteht darin, mehrere sequenzielle Inspektionen zusammenfassen zu können und somit effizientere, wirtschaftlichere Prozesse zu generieren.

Im Vergleich zu herkömmlichen Beleuchtungssteuerungen bieten iPulse-Controller zwei wesentliche Vorzüge: Zum einen verkürzt sich die Antwortzeit bis zum Ansprechen der angesteuerten Beleuchtungen durch die extrem schnellen Stromimpulse deutlich. Zum anderen führt die erzielbare kurze Pulsdauer mit hohen Stromstärken dazu, dass die Beleuchtungen exakt und ausschließlich während des benötigten Zeitraums aktiv sind und ihre volle Leistung bis hin zum Zehnfachen des LED-Nennstroms abgeben können. Dadurch lässt sich eine schnellere Blitztaktung erzielen, was die Voraussetzung für die Multistrobe-Technologie ist.

Schnelles Umschalten zwischen Szenarien

Auf Basis des eingesetzten IP-2P2S-5C Controllers haben die Rauscher-Experten ein System entwickelt, das eine vielseitige, schnelle und hochgenaue Bildverarbeitung mit Multistrobe-Technologie ermöglicht. Schlüssel zum Erfolg ist dabei das schnelle Umschalten zwischen verschiedenen Beleuchtungsszenarien, betont Miller: „Über einen Ipulse-Beleuchtungs-Controller lassen sich sehr schnelle Wechsel zwischen mehreren Beleuchtungsbedingungen realisieren, indem die angeschlossenen Beleuchtungen beispielsweise mit unterschiedlichen Intensitäten oder Beleuchtungswinkeln betrieben werden. Je nach Setup ist es auch möglich, die Wellenlängen zu variieren, um so bei Multispektral-Systemen verschiedene Schwerpunkte bezüglich der Spektralverteilung zu setzen. Diese Technologie lässt sich sowohl in Areascan- als auch in Linescan-Anwendungen umsetzen.“

Das ermöglicht es, sehr flexible Vision-Systeme zu realisieren, mit denen dynamische Szenenaufnahmen, High-Speed Imaging, Strobe-Anwendungen mit reduzierter Bewegungsunschärfe oder auch Aufnahmen mit mehreren Blickwinkeln zum Erfassen von Tiefeninformationen in 3D kein Problem sind. Mit der Multistrobe-Technologie lassen sich somit kosteneffizient Aufnahmen benutzerdefinierter Sequenzen erzielen, die zudem in Echtzeit angepasst werden können.

Eine Kamera, mehrere Einblicke

Um die Leistungsfähigkeit solcher Systeme anhand einer Messedemo zu zeigen, kombinierte das Technik-Team von Rauscher den Ipulse Lichtcontroller von Icore mit einer Zeilenkamera der Vieworks-VL-Serie und einer Auflicht- sowie einer Durchlicht-Beleuchtung von Advanced Illumination. Als Software für die Bildauswertung kam die Zebra Aurora Imaging Library zum Einsatz. 

„Mit jeder Aufnahme der Zeilenkamera werden in diesem System zwei Bilder erzeugt“, verdeutlicht Miller. „Der Controller aktiviert die beiden Beleuchtungen dabei jeweils so, dass eine Bildzeile im Auflicht und die andere im Durchlicht entsteht. Jede Zeile des Bildes wird also unter unterschiedlichen Lichtverhältnissen aufgenommen. Auf der Software-Ebene werden die geraden und ungeraden Zeilen anschließend aufgeteilt, um die beiden Bilder zu erzeugen.“

Für die fehlerfreie Funktion des Systems ist an der horizontalen Achse, auf der das Prüfobjekt – in diesem Beispiel eine unbestückte Leiterplatte – befestigt ist, eine Lichtschranke montiert. Sie dient als Frame Trigger und aktiviert den Beginn der Aufnahme in der Kamera. Der Motor, der die horizontale Achse antreibt, ist mit einem Encoder gekoppelt. Er misst die Drehgeschwindigkeit des Antriebs und gibt auf dieser Basis die erforderlichen Line-Trigger-Signale an die Kamera weiter, um die Aufnahme jeder Zeile zu starten. Immer, wenn die Kamera belichtet, sendet sie ein Exposure-Active-Signal an den Beleuchtungs-Controller, der dann eine vorgegebene Sequenz erzeugt, um die angeschlossenen Beleuchtungen nacheinander zu aktivieren.

„Für unsere Vision-Demo betreiben wir die Kamera mit der doppelten Zeilenrate, um jede Zeile zweimal zu beleuchten und aus den aufgenommenen Informationen dann anschließend zwei vollständige Bilder zu separieren“, erläutert Miller weiter. „Damit wollten wir das Grundprinzip der Multistrobe-Technologie zeigen. Aufgrund der extrem präzisen Ipulse-Controller sind zwei Bilder pro Zeile aber noch lange nicht das Ende der Fahnenstange. In Abhängigkeit von den jeweiligen Randbedingungen, den zu erkennenden Fehlerarten und den im System integrierten Beleuchtungen können mit solchen Multistrobe-Systemen prinzipiell beliebig viele Informationen in einem Durchlauf aufgenommen und von der Software in aussagekräftige Bilder umgewandelt werden.“ 

Multistrobe-Imaging in der Anwendung

Multistrobe-Imaging bietet nach Millers Aussage in vielen industriellen Anwendungen eine wirtschaftliche Option, Prüfobjekte mit nur einem statt mit mehreren sequenziellen Vision-Systemen auf unterschiedliche Merkmale und Fehlerarten zu untersuchen. „Natürlich ist diese Technologie keine Wunderwaffe, die sich für jeden Einsatzfall eignet. Wenn die Aufgabenstellung Multistrobe-Bildverarbeitung aber zulässt, so kann dies die Hardware-Kosten für den Anwender deutlich reduzieren und auf diese Weise zu effizienteren, wirtschaftlicheren Inspektionsprozessen führen.“ Als besonders geeignet hält Miller die Technologie beim Einsatz in Bildverarbeitungsaufgaben wie Materialprüfungen, Oberflächeninspektionen oder 3D-Formanalysen. „Bei der Beurteilung der Frage, in welchen Fällen der Multistrobe-Ansatz tatsächlich Vorteile für den Anwender bringt, helfen unsere Experten gerne weiter“, so Miller.

Autor
Peter Stiefenhöfer, Inhaber von PS Marcom Services

Die Grafik verdeutlicht die prinzipielle Funktionsweise der Multistrobe-Technologie: In diesem Beispiel werden vier an unterschiedlichen Positionen montierte LED-Beleuchtungen mit sehr kurzen Zeitabständen nacheinander angesteuert. Die vier daraus resultierenden Bilder fasst die eingesetzte Software zu einem einzigen Bild zusammen, das die Informationen aller Aufnahmen unter den unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen kombiniert. Fehler, die in nur einem der Einzelbilder erkennbar waren, sind auf diese Weise im Gesamtbild enthalten, was eine sicherere Identifikation unerwünschter Objektmerkmale ermöglicht. Aufgrund der präzisen und schnellen Ansteuerung der Beleuchtungen im Bereich von bis zu unter 1 µs können mit Ipulse-Controllern ausgestattete Systeme auch dann noch Bilder der Prüfobjekte in nahezu derselben Position aufnehmen, wenn die Objekte mit höheren Geschwindigkeiten beispielsweise auf einem Transportband durch den Prozess bewegt werden. Bild: Rauscher