Licht ist eine wichtige Grundlage für alle Kulturen, denn es ermöglicht den Menschen ein sicheres und angenehmes Leben. Licht zu beherrschen und technisch nutzbar zu machen ist bis heute eine anspruchsvolle Ingenieursaufgabe. Dazu gehört: Licht zu erzeugen, zu formen, zu lenken, zu wandeln und zu messen. Ohne optimale Beleuchtung sieht auch moderne Automatisierungstechnik nichts. Das gilt für optische Prüfverfahren und Bildverarbeitung ebenso wie für endoskopische Anwendungen.

Unterschiedliche Aufgabenstellungen erfordern unterschiedliche Beleuchtungskonzepte. Was wie eine Binsenweisheit klingt, stellt Anwender in der Praxis oft vor die Qual der Wahl. Zumal neben der erforderlichen Lichtintensität auch Beleuchtungsfrequenzen, die Beschaffenheit der zu beleuchtenden Oberflächen und die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Lichtquelle entscheidende Kriterien sind. Hier die für die jeweilige Applikation maßgeschneiderte Lösung zu finden, gilt als Kernkompetenz der Firma Volpi mit Stammsitz im schweizerischen Schlieren. Das Unternehmen ist spezialisiert auf die Entwicklung und Produktion von faseroptischen und opto-elektronischen Komponenten sowie von kundenspezifischen OEM-Lösungen, vor allem für die Bereiche Medizintechnik, Automobilindustrie, Prüftechnik und Bildverarbeitung.

Faseroptisches System oder ­LED-Beleuchtung?
Faseroptische Beleuchtungssysteme werd­en heute zwar in vielen Bereichen von der LED-Technik in den Hintergrund gedrängt, sind in etlichen Applikationen aber immer noch die erste Wahl, beispielsweise wenn temperaturkritische Objekte einen größeren Abstand zum Lichtsender erfordern, weite Distanzen zu überbrücken sind oder Licht in Bereiche mit hoher elektrischer Spannung gebracht werden muss. Faseroptische Ringlichter sorgen dann für eine homogene und schattenfreie Ausleuchtung der Arbeitsfläche. Flexible Lichtleiter eignen sich für die Ausleuchtung von schwer zugänglichen Objekten, bei engen Platzverhältnissen oder über größere Entfernungen. Für den Anschluss an Kaltlichtquellen gibt es auch spezielle faseroptische Hintergrund-Leuchtfelder, z. B. für präzise Vermessungen im Durchlicht-Betrieb. Faseroptische Linienlichter bieten sich als praxisgerechte Beleuchtung für die Oberflächeninspektion mit Zeilen- oder Flächenkameras an.

Aufgrund ihrer hohen Effizienz und dem geringen Stromverbrauch setzen sich allerdings heute LED-Beleuchtungen immer stärker durch. Das gilt auch für Glasfaseranwendungen, da hier ebenfalls in steigendem Maße LED-Lichtquellen verwendet werden. Volpi war einer der ersten Hersteller, der eine LED-Lichtquelle mit High-Power LED entwickelte. Für den Anwendungsbereich Machine Vision bedeutet dies, dass die für Faseroptiken typische homogene Lichtverteilung mit der Sparsamkeit und Langlebigkeit von LEDs vereint werden kann.

Bei LED-Beleuchtungssystemen stehen heute für viele Aufgabenstellungen ausgereifte Standardprodukte zur Verfügung: Koaxiale Beleuchtungen beispielsweise sind für Objekte mit spiegelnden oder stark reflektierenden Oberflächen geeignet. LED-Zeilenbeleuchtungen bieten eine gute Gleichförmigkeit und homogene Ausleuchtung bis hin zu den Linienrändern. Diffuse Dome-Beleuchtung ist ideal, um nicht- oder schwach reflektierende Objekte schattenfrei zu beleuchten. Mit LED-Dunkelfeldbeleuchtung können sehr gut Kanten und Höhenstrukturen von Objekten hervorgehoben werden. LED-Hintergrund- oder Durchlichtbeleuchtung wird bevorzugt eingesetzt, wenn Konturen vermessen und kontrolliert werden. LED-Ringlichter bieten für Mikroskopie und Machine-Vision-Anwendungen heute beste Voraussetzungen.

LED-Ringlicht im Einsatz
Ein Beispiel dafür liefert das neue, vollautomatische Kugelprüfsystem Uranus-S, das von der Firma Systron entwickelt wurde. Es eignet sich für viele Anwendungsbereiche von der Pharma- und Kosmetikindustrie bis hin zur Automobiltechnik. Für die richtige Beleuchtung bei der Oberflächen- und Maßkontrolle von Metall-, Kunststoff- und Glaskugeln mit Durchmessern zwischen 1,0 und 3,5 mm sorgt hier ein fokussierbares LED-4-Segment-Ringlicht aus dem Volpi-Produktprogramm. Seine 12, in vier Segmenten ansteuerbare, weiße Hochleistungs-LEDs liefern ein homogenes, schattenfreies und besonders helles Auflicht. Außerdem ließ sich das Ringlicht gut an die Erfordernisse des Kugelprüfsystems anpassen.

Für die Prüfung werden die Kugeln in der Einlaufwanne ionisiert und gelangen von dort portionsweise in die Lochscheibe im Prüfraum. Hier sind zur optischen Kontrolle der gesamten Kugeloberfläche drei Kamerasysteme eingesetzt, die jede Kugel, während sie gedreht wird, jeweils achtmal aufnehmen. Von jeder Kugel entstehen so 24 Aufnahmen. Eventuelle Schadstellen vom kleinsten Kratzer bis zum Walz-, Anguss- oder Schleiffehler lassen sich auf diese Weise zuverlässig detektieren. Eine vierte Kamera überprüft die Kugeln auf Durchmesser und eventuelle Unrundheit. Eine weitere überwacht die Gut-/Schlechtsortierung in die Ausschussbehälter. Der Durchsatz des Prüfsystems hängt von der jeweiligen Applikation ab und lässt sich zwischen acht und 16 Kugeln pro Sekunde einstellen. Ein Umrüsten auf andere Kugeltypen ist schnell und einfach möglich.

Flash-Betrieb steigert die Lichtausbeute
Das flexible Prüfsystem, das sich für Kugeln verschiedenster Materialien, Farben und Oberflächen eignet, verlangt der eingesetzten Technik einiges ab. „Bei Kamerasystemen und Beleuchtung beispielsweise sind wir auf sehr leistungsfähige Lösungen angewiesen", berichtet Stefan Ubezio, Geschäftsführer von Systron. „Das fokussierbare LED-Ringlicht von Volpi erfüllte hier unsere Erwartungen." Durch die Fokussieroptik beispielsweise sind variable Arbeitsabstände bzw. die Anpassung an verschiedene Kugelgrößen kein Problem.

Aber auch darüber hinaus muss die Beleuchtung bei der Kugelprüfung noch etliche Anforderungen erfüllen. Schließlich ist es keineswegs trivial, kleine, bewegte, aus unterschiedlichen Materialien bestehende Objekte für die Bildaufnahmen ins rechte Licht zu rücken. „Licht können wir praktisch nie genug haben", fasst Ubezio zusammen. „Die Ansteuerung des Ringlichts haben wir deshalb so ausgelegt, das die Beleuchtung flashed, d. h., bei jeder Kameraaufnahme sorgt ein etwa 500 µs langer Lichtblitz für eine optimale Ausleuchtung, etwa 50 ms haben die LEDs dann Pause. Wir erreichen dadurch eine viermal höhere Lichtausbeute als bei Dauerbetrieb." Gleichzeitig entsteht weniger Abwärme und die Lebenserwartung der LEDs steigt. Dabei sind die Ringlichter mit einer typischen Lebenserwartung von mindestens 10.000 Betriebsstunden bei 100% Intensität und Dauerbetrieb ohnehin langlebig.

Das Kugelprüfsystem erkennt Durchmesser-Abweichungen ab 0,01 mm, Unrundheiten ab 0,02 mm und Oberflächenfehler bis hinunter zu etwa 0,05 mm. Ohne das LED-Ringlicht wären diese mikroskopisch kleinen Abweichungen nicht nur für das menschliche Auge, sondern auch für die industriellen Kameras unsichtbar.

Prüfsysteme von Systron
Die Systron GmbH mit Sitz im schweizerischen Birmensdorf entwickelt und baut Prüfsysteme, die auf spezielle Kundenanforderungen abgestimmt sind. Dazu gehören Stand-alone-Anlagen ebenso wie Systeme, die sich direkt in Automatisierungslinien integrieren lassen. Schwerpunkte der Entwicklungsarbeit sind dabei Bildverarbeitung, Auslegung von Beleuchtung und Optik sowie die entsprechende PC-Software und Steuerungstechnik.