LED-Ringlichter sind Standardbeleuchtungen für viele Anwendungsfälle der Bildverarbeitung. Setzt man segmentierte Ringlichter ein, eröffnen sich vor allem bei der 3D-Bildverarbeitung mehr Möglichkeiten. Wegen des großen Hardware-Aufwands wurden diese Beleuchtungen allerdings nur vereinzelt eingesetzt. Eine neue Technologie ändert das jetzt: Sie ermöglicht die segmentierte Ringlichtbeleuchtung durch Ansteuerung mit einem einzigen Einkanalcontroller.

LED-Ringlichter sind beliebte Beleuchtungskomponenten für zahlreiche Anwendungsfälle in der Bildverarbeitung. Sie eigenen sich vor allem dann als Beleuchtungskomponente, wenn homogen ausgeleuchtet werden soll. Reduziert man die Leuchtfläche auf ein Ringsegment, so kann die Richtwirkung einzelner Sektoren gezielt ausgenutzt werden. Die auf den ersten Blick einfache Anwendung von Ringbeleuchtungen zeigt jedoch bei genauerer Betrachtung, dass es eine Reihe von Einflussfaktoren gibt, mit denen man das Beleuchtungsergebnis verändern kann. Diese bieten einen breiten Spielraum für die aktive Gestaltung des Beleuchtungsergebnisses und damit auch für das Ergebnis der Bildverarbeitungsprüfung.LED-Ringlichter sind Standardbeleuchtungen für viele Anwendungsfälle der Bildverarbeitung. Setzt man segmentierte Ringlichter ein, eröffnen sich vor allem bei der 3D-Bildverarbeitung mehr Möglichkeiten. Wegen des großen Hardware-Aufwands wurden diese Beleuchtungen allerdings nur vereinzelt eingesetzt. Eine neue Technologie ändert das jetzt: Sie ermöglicht die segmentierte Ringlichtbeleuchtung durch Ansteuerung mit einem einzigen Einkanalcontroller.

LED-Ringlichter sind beliebte Beleuchtungskomponenten für zahlreiche Anwendungsfälle in der Bildverarbeitung. Sie eigenen sich vor allem dann als Beleuchtungskomponente, wenn homogen ausgeleuchtet werden soll. Reduziert man die Leuchtfläche auf ein Ringsegment, so kann die Richtwirkung einzelner Sektoren gezielt ausgenutzt werden. Die auf den ersten Blick einfache Anwendung von Ringbeleuchtungen zeigt jedoch bei genauerer Betrachtung, dass es eine Reihe von Einflussfaktoren gibt, mit denen man das Beleuchtungsergebnis verändern kann. Diese bieten einen breiten Spielraum für die aktive Gestaltung des Beleuchtungsergebnisses und damit auch für das Ergebnis der Bildverarbeitungsprüfung.

Um mit Ringlichtern richtungsbezogene Lichtinformationen für die Bildverarbeitung erzeugen zu können, wird der Ring in fest verdrahtete Beleuchtungssegmente unterteilt. Typischerweise sind es 4 oder 8, andere Einteilungen sind auch möglich (Anzahl der Segmente = x). Die Ansteuerung und Synchronisation der Kamera mit den x Segmenten erfolgt dann separat für jedes Segment durch einen LED-Controller oder durch einen LED-Mehrkanalcontroller. Nachteilig sind dabei

• der x-fach erhöhte Platzaufwand
• die x-fach benötigte Hardware 
• (x Controller, x Kabel)
• der x-fache Arbeitsaufwand für 
• Installation und Einbindung in die 
• Steuerungssoftware
• eine schwierige Synchronisation von Trigger, Kamera und Beleuchtung.

Vor allem diese Nachteile machten es bisher schwer und teuer, richtungsbezogene Lichtinformationen, generiert durch Segmentringlichter, in der Breite für Bildverarbeitungsaufgaben nutzbar zu machen.

Die Grenzen der Analogtechnik

Aktuelle Automatisierungssysteme der Industrie 4.0 basieren auf digitaler Technik. Zahlreiche Daten werden benötigt und erzeugt und müssen im Timing präzise zur Verfügung stehen. Hinzu kommt, dass in industriellen Fertigungsprozessen zunehmend in Bewegung geprüft wird, um den Durchsatz zu erhöhen. Daher muss auch die Lichtsteuerung schnell, mit Präzision und reproduzierbar erfolgen. Die im Bereich der Beleuchtungssteuerung noch weit verbreiteten Analogtechnik ist für diese Anforderungen nicht geeignet und muss deshalb ersetzt werden.

Im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurde die Lumisens-Technologie mit dem Ziel entwickelt, die notwendige Signalverarbeitung zu digitalisieren. Die Beseitigung systembedingter Mängel analoger LED-Controller eröffnete gleichzeitig bisher nicht realisierbare digitale Features. Der Ansatz setzt darauf, durch schnelle digitale Regelungsalgorithmen ein Maximum an Langzeitstabilität, Konstanz der Leistungsdaten sowie ein präzises Timing zu erreichen.

Grundlegendes Entwicklungsziel war, dass sich mit dem Controller Dauerbetrieb, Pulsbetrieb ( oder Blitzbetrieb) und Segmentbetrieb realisieren lassen. Bedingt durch die steile Strom-/Spannungskennlinie von LEDs, werden die einzelnen LED-Segmente mit einer FPGA-basierten Plug-and-Play-Technologie digital stromgeregelt angesteuert. Das garantiert eine Konstanz von 99 Prozent (Puls zu Puls) und eine Langzeitstabilität der Lichtmenge. Sie ermöglicht geringes Jitter von < 6 ns sowie die hochgenaue und reproduzierbare Synchronisation zwischen Trigger, Bildaufnahme und Beleuchtungspuls in Schritten von 20 ns.

Industrie-4.0-fähige LED-Beleuchtungen

Voraussetzung zum Erreichen dieser Kennwerte ist die ständige Kommunikation von LED-Controller und Beleuchtung. Diese liefert die im integrierten Light-Sensor-Processor engmaschig erfassten Betriebsparameter der Beleuchtung (Strom, Spannung, Temperatur, Helligkeit) an den Controller. Zur Vermeidung von Überlastung werden diese Daten kontinuierlich mit den im digitalen Typenschild der Beleuchtung hinterlegten Grenzwerten und Kennlinienfeldern verglichen. Bei Überschreitungen wird gewarnt beziehungsweise abgeschaltet. Das maximiert die LED-Lebensdauer. Dieses Condition Monitoring der Betriebsdaten erlaubt es langfristig, die Beleuchtungen mit maximalem Output an Lichtleistung bis an ihre physikalische Belastungsgrenze arbeiten zu lassen. Weitere Schutzfunktionen unterstützen den Anwender bei der Installation gegen Falschparametrierung und Überlastung.
Die digitale Technologie ermöglicht es, alle elektrischen, lichttechnischen und zeitlichen Parameter reproduzierbar einzustellen. Zur Integration der Ringbeleuchtung in Maschinensteuerungen können Betriebsparameter über WLAN per Webinterface, App oder API eingestellt werden. Ein digitaler Datensatz beschreibt hierbei die Beleuchtung. Auf Grundlage dieses Datensatzes lassen sich erstmalig digitale Beleuchtungsklone mit identischen Eigenschaften realisieren. Damit sind LED-Beleuchtungen Industrie-4.0-fähig geworden.

Schnelle Segmentumschaltung

Um ein Ringlicht im Segmentmodus betreiben zu können, muss der digitale LED-Einkanal-Beleuchtungscontroller vollständig die Kontrolle über die Triggerung der Kamera und die Synchronisation der Ansteuerung der Segmente der Ringbeleuchtung übernehmen. Dazu muss vorab „parametriert oder eingestellt“ werden, welche Segmentkombination in den einzelnen Schritten leuchten soll. Die Folge der einzelnen Schritte ergibt eine Sequenz. Diese kann maximal aus 16 Schritten bestehen und sowohl im Einzelschrittbetrieb als auch im Automatikbetrieb ablaufen. Einzelschrittbetrieb bedeutet, dass jeder Triggerpuls aus der Maschinensteuerung einen Sequenzschritt startet. Im Automatikbetrieb startet ein Triggerpuls den Ablauf der gesamten Sequenz. 

Standardmäßig werden die LED-Controller per App parametriert. Sind LED-Beleuchtungen in Maschinen verbaut, bietet eine App die Möglichkeit, alle Beleuchtungsparameter über WLAN remote einzustellen und zu testen.

Vorteile für Maschinenbau und Automatisierung

Die Ablaufgeschwindigkeit der Sequenz sollte die maximale Frame-Rate moderner CMOS-Kameras nicht beschränken. Nur so können fortschrittliche Beleuchtungstechniken zur neigungsmessenden Bildauswertung (Shape from Shading, photometrisches Stereo) 3D-Bilddaten in Echtzeit liefern. Gleichzeitig ist es aber notwendig, dass von den einzelnen Segmenten zeitlich und lichtenergetisch identische Lichtpulse erzeugt werden. Auch hier wird wieder die digitale Regelungstechnik aktiv und erreicht Segmentumschaltfrequenzen von 10 kHz bei konstanter Lichtenergie von Segment zu Segment sowie präziser Synchronisation. So lässt sich das enorme Dynamik- und Geschwindigkeitspotenzial moderner CMOS-Kameras vollständig ausnutzen – auch für schnell bewegte Teile. Das eröffnet viele Vorteile:

• Integration von LED-Beleuchtungen in die Steuerungstechnik
• Prozessprüfzeiten werden minimiert
• fortschrittliche Auswertetechnologien werden ökonomisch umsetzbar
• Kosteneinsparungen (bis zu 1/8 der Hardwarekosten
• Hardware-Aufwand (mehrere Controller, Kabel) sinkt
• Sicherheit und Zuverlässigkeit steigt durch weniger Komponenten (Kabel, Controller)
• Platzersparnis in Schaltschrank und Maschine
• exakt wiederholbare Einstellungen
• alle in der Maschine verbauten ­Controller sind aus einer App bedienbar
• Serienmaschinenbauer können sich identische Beleuchtungsklone erstellen.

Applikationsbeispiel: Fotometrisches Stereo an Pharmaverpackung

Abhängig vom Lichteinfall entstehen auf der Oberfläche von Prüfobjekten Schatten, die auf Berge oder Täler hinweisen. Die Helligkeitsverläufe der Schatten geben Aufschluss über die Steilheit und Richtung der Höhenunterschiede der Übergänge. Je nach Auflösung des Systems können große, aber auch sehr kleine Änderungen, Unebenheiten oder Oberflächenfehler erkannt werden.
Betrachtet wird in diesem Beispiel die Braille-Schrift (Blindenschrift) auf einer Pharmaverpackung, überlagert durch Bedruckung und Lichteinflüsse. Die Beleuchtung erfolgt mit einem Segmentringlicht. Für die Auswertung ist wichtig, dass die Braille-Schrift unabhängig von der Bedruckung der Schachtel maschinenlesbar ist.

Fazit

Die Digitalisierung der Bildverarbeitungs-Signalkette hat nun auch die Beleuchtung erreicht. Digitale Beleuchtungstechnologien sorgen dafür, dass Bildverarbeitung leistungsfähiger, einfacher und zuverlässiger wird. Darüber hinaus werden neue, bisher unbekannte Features für Beleuchtungen möglich, die mit klassisch analoger Ansteuerung nicht möglich sind.

Autor
Ingmar Jahr, Manager Schulung & Support, Evotron GmbH & Co. KG