Vision-Sensoren stellen in der Industrieautomation hohe Ansprüche an die Beleuchtung. Nur bei passender Lichtquelle und Ausrichtung wird die geforderte Bildqualität und damit die Detektionssicherheit erreicht. Je nach Einsatz der Vision-Sensoren ergeben sich für die Beleuchtung unterschiedliche Empfehlungen.

Vision-Sensoren eroberten in den letzten Jahren zahlreiche Anwendungen in der Industrieautomation: Teiledetektion mittels Muster- und Konturerkennung, Farberkennung, sowie die Identifikation von Barcodes und DataMatrix-Codes. Dabei gilt: je besser die Beleuchtung, desto höher die Bildqualität und damit die Detektionssicherheit. Die Wahl der Lichtquelle und deren Ausrichtung zum Sensor ist entscheidend, dass Automatisierungs-Anwendungen mit Vision-Sensoren stabil und prozesssicher funktionieren.

Hell oder dunkel

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Beleuchtungsarten: die Hell- und Dunkelfeld-Beleuchtung. Bei der Hellfeld-Beleuchtung sind Sensor und Lichtquelle so angeordnet, dass das Licht von der Oberfläche des Prüflings direkt in den Sensor reflektiert wird. Umgekehrt platziert man bei der Dunkelfeld-Beleuchtung Lichtquelle und Sensor so, dass nur Streulicht (z.B. von Kanten) den Sensor erreicht. Dieser Aufbau bietet sich immer dann an, wenn auftretende Reflexionen das eigentliche Muster überstrahlen würden. Abb. 2 verdeutlicht, dass ein besseres Ergebnis erreicht wird, wenn der Sensor mit integrierter Beleuchtung gegenüber der Objektoberfläche um 10 bis 20° verkippt wird. Auf diese Weise lassen sich direkte Reflexionen vom Hintergrund vermeiden. Dadurch wird der weiße Aufdruck, der diffus reflektiert, hervorgehoben und ein stabiles und kontrastreiches Bild entsteht.

Auch bei Kunststoffteilen mit erhaben angespritzten Merkmalen wie Schriften o.ä. eignet sich die Dunkelfeld-Anordnung. Optimal ist in solchen Fällen eine frontale Ausrichtung des Sensors mit flach einfallendem, seitlichen Licht aus einer externen Beleuchtungsquelle. Der Unterschied zwischen der Dunkelfeld-Variante mit seitlichem Lichteinfall und einer Hellfeld-Beleuchtung ist in Abb. 3 dargestellt.

Doch auch die Hellfeld-Variante hat ihre Vorteile, wie bei der Detektion stark reflektierender Metalloberflächen (siehe Abb. 4). Durch die Totalreflexion werden die metallischen Oberflächen selbst bei weißem Hintergrund klar hervorgehoben, wodurch eine hohe Detektionssicherheit erreicht wird. Der hier genutzte Effekt hängt stark von der Oberfläche und der Winkelausrichtung ab. Wird die Hellfeld-Beleuchtung in Serie verwendet, ist deshalb auf die Stabilität dieser beiden Größen zu achten.

Von allen Seiten

Besondere Anwendungen, wie die Detektion von symmetrisch runden Teilen, verlangen nach besonderen Lösungen. Um hierbei unerwünschten Schattenwurf zu verhindern, setzen Anwender am besten auf ein externes Ringlicht, zu sehen in Abb. 5. Dadurch wird die Kontur des Teiles, beispielsweise die eines Zahnrades, klar und schattenlos sichtbar. Über den Abstand der Lichtquelle lässt sich der Einfallswinkel des Lichts steuern und dadurch unterschiedliche Objektdetails fokussieren.

Ein weiterer Spezialfall ist die Mustererkennung oder Codelesung auf gewölbten Oberflächen. Hier besteht das Risiko von Reflexionen und Überstrahlungen. Die richtige Wahl stellt in diesem Fall eine externe Dom- oder Tunnelbeleuchtung dar. Dabei ist das Licht nicht gerichtet, sondern fällt, wie an einem bewölkten Tag, gleichmäßig aus vielen Richtungen ein. So können auch Schriften auf zylindrischen, stark reflektierenden Metallteilen sicher erkannt werden. Auch bei chaotisch streuend geformten - und damit chaotisch streuend reflektierenden - Kunststoff- und Aluminiumfolien, wie sie für Arzneimittelblister und andere Verpackungen verwendet werden, ist die diffuse Beleuchtung zu bevorzugen.

Schließlich gibt es noch die Möglichkeit, im Durchlicht zu arbeiten, wenn die Außenkontur bzw. das Profil eines Teils besonders deutlich hervorgehoben werden soll. Auf dem Teil selbst vorhandene Strukturen sind hingegen in dieser Anordnung nicht sichtbar. Eine Durchlicht-Beleuchtung ist jedoch in vielen Fällen problematisch hinsichtlich der Einbausituation.

Unsichtbar und doch erkannt

Bei der Detektion erhabener oder vertiefter Strukturen auf transparenten Objekten tritt das Problem von Doppelkonturen auf. Diese entstehen durch Reflexionen an Vorder- und Rückseite, wie bei in Glasplatten gelasterten DataMatrix-Codes. Deshalb sollte der Sensor stets senkrecht zur Oberfläche angeordnet sein, während das externe Licht seitlich einfällt. Als externe Beleuchtung setzt man in diesem Fall entweder ein Flächen- oder ein Ringlicht ein.

Welche Intensität?

Die Intensität der Beleuchtung lässt sich bei den meisten Vision-Sensoren indirekt über die Belichtungszeit (Shutter-Öffnungszeit) und die Verstärkung (Gain) des Sensors anpassen. Generell sind kurze Shutterzeiten (helle Beleuchtung) anzustreben, so dass Schwankungen im Umgebungslicht die Anwendungen nur noch gering beeinflussen. Auch bei bewegten Teilen gilt: je kürzer die Belichtung (z.B. durch ein Blitzlicht), desto schärfer das Bild. Um in Anlagen, in denen auch Personen arbeiten, ein störendes „Blitzlichtgewitter" zu vermeiden, empfiehlt sich der Einsatz von nicht sichtbaren Infrarot-Beleuchtungen.

Welche Farbe?

Durch den Einsatz farbiger Beleuchtungen oder Farbfilter können zudem gesuchte Teilemerkmale hervorgehoben oder unterdrückt werden. So erscheint zum Beispiel eine schwarze Beschriftung auf einem roten Kunststoffteil mit maximalem Kontrast, wenn ein monochromer Sensor mit Rotlicht-Beleuchtung verwendet wird. Denn der rote Hintergrund reflektiert sehr viel Licht und erscheint somit sehr hell, während die schwarze Schrift kaum reflektiert. Wird dasselbe Teil mit Grünlicht beleuchtet, verschwindet der Kontrast zwischen rotem Hintergrund und schwarzer Schrift, da der rote Kunststoffhintergrund fast kein Licht der Komplementärfarbe Grün reflektiert und die schwarze Schrift sich von dem - nun ebenfalls fast schwarz erscheinenden - Hintergrund kaum mehr abhebt. Auf diese Weise ließe sich somit das Merkmal „schwarze Schrift" unterdrücken.

Durch die Kombination einer Rotlichtbeleuchtung mit einem vor dem Sensor angebrachten Rotlicht-Bandpassfilter lassen sich ferner störende Umgebungslichteffekte weitgehend unterdrücken, sodass auf eine Abschattung der Anwendung verzichtet werden kann.

Fazit

Die Mehrzahl der Anwendungen lässt sich mit Hellfeld- oder Dunkelfeld-Beleuchtung über die im Vision-Sensor integrierte Beleuchtung lösen. Anwender sollten deshalb zunächst verschiedene Ausrichtungen des Sensors zum Objekt testen. Dabei ist die Dunkelfeld-Beleuchtung aber immer vorzuziehen, da diese robuster ist und eine geringere Winkelabhängigkeit aufweist.

Lässt sich mit einer im Sensor integrierten Beleuchtung kein befriedigendes Ergebnis erreichen, empfiehlt sich die „Entkopplung" von Detektions- und Beleuchtungsrichtung durch den Einsatz einer externen Lichtquelle. Zur Verfügung stehen dabei die Varianten Flächenlicht, Ringlicht und Durchlicht, wahlweise mit Weiß-, Rot- oder Infrarotlichtquelle. Variiert man die Parameter Messabstand, Detektions- und Beleuchtungswinkel, lässt sich nahezu für jede Mess-Aufgabe eine geeignete Lösung finden. Dennoch erfordert die richtige Beleuchtung in der Regel eine Einzelfallbetrachtung der jeweiligen Anwendung.