Wo früher das menschliche Auge mit gewissen Hilfsmitteln, wie einer Messlehre oder einer Lupe, die Qualität von industriell hergestellten Produkten geprüft hat, kommen heutzutage überwiegend optische Gesamtsysteme zum Einsatz. Diese bestehen zumeist aus einer Beleuchtungseinheit, die das Prüfobjekt optimal ausleuchtet, einer Kamera, die eine Aufnahme des Objekts aufnimmt und einer Software, die die generierte Prüfaufnahme auswertet. Wegen der Personalkostenersparnis der geringeren Fehlerquote, der höheren Sterilität und der digitalen Dokumentation setzen Anwender vermehrt auf diese Systeme. Aufgrund der großen Produktvielfalt gibt es allerdings nicht ein optisches Gesamtsystem, das auf alle Produkte zur Prüfkontrolle anwendbar ist, sondern unzählig viele Varianten und Ausführungsformen. Dabei ist die Beleuchtungseinheit eines der vielfältigsten Teile des Gesamtsystems, da nicht nur der Beleuchtungstyp, wie Auflicht-, Dunkelfeld-, Hintergrund­beleuchtung, sondern auch die Beleuchtungsfarbe (rot, grün, blau, infrarot, ultraviolett, weiß) für den jeweiligen Anwendungsfall gewählt werden kann. Jeder Beleuchtungstyp hat individuelle Licht­eigenschaften, die für bestimmte Prüfaufgaben sinnvoll sind. Ein Beleuchtungstyp, der besonders durch die wachsende Industrie in den Bereichen der Pharma- und Medizintechnik an größerer Bedeutung gewinnt, ist die Hintergrundbeleuchtung.

Aufbau und Einsatz von Hintergrundbeleuchtungen

Das Beleuchtungsprinzip wird bereits im Namen offenbart: Das Licht erstrahlt hinter dem zu prüfenden Bauteil. Der Aufbau einer solchen Beleuchtung kann abweichen, wobei der folgende sehr gängig ist. Auf einer Grundplatine werden lichtstarke SMD-LEDs ganzflächig und eng bestückt angeordnet. Über diesen befindet sich eine milchige Streuscheibe (Diffusor). Diese wandelt die von den LEDs austretenden einzelnen Lichtstrahlen in viele Teilstrahlen um. Da diese Teilstrahlen in verschiedene Richtungen ausgehen, entsteht nicht gerichtetes, diffuses Licht, was eine homogene Ausleuchtung zur Folge hat. Mit dieser Lichteigenschaft eignet sich eine Hintergrundbeleuchtung besonders dazu, Füllstände von lichtdurchlässigen, teil- oder volltransparenten Gefäßen zu messen sowie Umrisse von Produkten zu kontrollieren.

Füllstandsmessung einer Ampulle

Ein Anwendungsbeispiel ist die optische Messung des Füllstands einer mit Arzneimittel gefüllten Ampulle. Die Hintergrundbeleuchtung durchleuchtet die Ampulle, wobei die Flüssigkeit in der Ampulle das Licht bricht. Auf der Aufnahme der Kamera hebt sich der flüssigkeitsgefüllte von dem flüssigkeitsleeren Ampullenbereich ab. Eine Software wertet anschließend aus, ob die Ampulle richtig gefüllt ist. Besonders in der Pharma- und Medizintechnik ist diese Prüfung elementar, da beispielsweise eine falsche Dosierung eines Medikamentes fatale Folgen haben kann.

Produktneuheit: schwarzer Diffusor

Neben der klassischen Hintergrundbeleuchtung mit einer milchigen Streuscheibe gibt es neuerdings auch eine weitere Ausführungsform mit einem matten, schwarzen Diffusor. Hierbei unterscheidet sich der Beleuchtungsaufbau lediglich in der Streuscheibe, die über den LEDs angebracht wird. Die schwarze, matte Diffusorscheibe lässt das Licht der LEDs im eingeschalteten Zustand passieren. Wenn sich die Beleuchtung im ausgeschalteten Zustand befindet, dient die schwarze, matte Diffusorscheibe als optimaler nicht-reflektierender Hintergrund. Um bei dem Beispiel der Medikamentenampulle zu bleiben, könnte im An-Zustand, wie bereits beschrieben, der Füllstand geprüft werden. Im Aus-Zustand könnte mit einer zweiten Beleuchtung, wie einer Auflichtbeleuchtung, die Etikettenbeschriftung des Medikamentes mit der Lotnummer und dem Mindesthaltbarkeitsdatum auf Richtigkeit geprüft werden. Diese Prüfung ist ausschließlich mit der schwarzen, matten Streuscheibe möglich, da diese den Großteil des auftreffenden Lichts absorbiert. Bei Hintergrundbeleuchtungen mit milchigem Diffusor kommt es zu störenden Reflexionen, die eine genaue Etikettenprüfung verhindern. Durch die Kombination aus zwei Beleuchtungen an einer Prüfstation können zwei Prüfaufgaben nacheinander mit nur einer Kamera durchgeführt werden. Hiermit lassen sich zum einen Kosten einsparen, da eine Kamera und eine Software zwei Prüfaufgaben durchführen. Zum anderen wird der Prüfprozess beschleunigt, da das Bauteil nach der ersten Prüfung nicht an eine zweite Station transportiert werden muss. Die Kosten- sowie die Platz- und Zeitersparnis gelten bei der Optimierung und Weiterentwicklung von optischen Gesamtsystemen als größtes Ziel.

Prüfung einer medizinischen Schlauchverbindung

Eine weitere Anwendung findet sich in der Prüfkontrolle von Klebeverbindungen im Bereich der Medizintechnik wieder. Mehrteilige Medizinprodukte, die aus Kunststoff bestehen, werden aus Material-, Kosten- und Produktionsgründen zumeist mit einem fluoreszierenden Kleber verbunden. Um zu prüfen, ob dieser an der richtigen Stelle und in ausreichender Menge aufgetragen wurde, kommen UV-Beleuchtungen zum Einsatz, die den Kleber durch Fluoreszenz sichtbar machen.

Kombination UV-Auflichtbeleuchtung und Hintergrundbeleuchtung

In dem zuvor beschriebenen Aufbau aus der Kombination von einer Hintergrund- und einer Auflichtbeleuchtung wird die UV-Beleuchtung im Auflicht positioniert. Bei dem konkreten Beispiel der Produktkontrolle einer medizinischen Schlauch­verbindung wird der Kleber im An-Zustand der UV-Auflichtbeleuchtung geprüft und im Aus-Zustand der Hintergrundbeleuchtung mit dem schwarzen Diffusor. Nachdem die Klebeverbindung überprüft wurde, können im nächsten Prüfschritt – jedoch an derselben Prüfstation – die Umrisse der beiden verbundenen Schläuche geprüft werden. Hierfür wird die Auflichtbeleuchtung in den Aus-Zustand und die Hintergrundbeleuchtung in den An-Zustand versetzt. Durch die nun sichtbare Silhouette der Schläuche kann ein möglicher Knick oder ein Produktions­fehler an der Verbindungsstelle detektiert werden. Der schwarze Diffusor dient daher dazu, die Fehlerquote und zugleich den Pseudo­ausschusses zu reduzieren, der durch die störenden Reflexionen auftreten kann.

Profit von Optimierung

Im Wesentlichen vereint der schwarze Diffusor zwei Prüfvorgänge an einer Prüfstation, was Platz, Kosten und Zeit spart. Die Platzeinsparung ist wohl am offensichtlichsten, da zwei Beleuchtungen an einer Prüfstation verbaut sind, die für zwei Prüfaufgaben genutzt werden und somit einen weiteren Prüfplatz einsparen. Die Kostenminimierung hängt unmittelbar mit dem fehlenden Prüfplatz zusammen, weil nur eine Kamera, eine Software und ein Arbeitsplatz benötigt werden. Da die zwei Prüfvorgänge direkt nacheinander vollzogen werden können, ohne das Prüfobjekt an einen anderen Prüfplatz transportieren zu müssen, sinkt auch die Taktzeit.
In der Zukunft gilt es weiterhin optische Gesamtsysteme, sowohl im Bereich der Be­leuchtungseinheit (Leuchten), der Aufnahmeeinheit (Kamera) als auch der Auswertungseinheit (Software) weiterzuentwickeln. Anhand des Beispiels des schwarzen Diffusors wird deutlich, dass oft kleine Optimierungen einen großen Profit mit sich bringen.

Autor: Deborah Schmoll, Technischer Support

Bilder: Falcon Illumination