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Formvollendet Licht lenken

Neue Beleuchtungsprinzipien für AOI-Anwendungen

Ist ein flaches Objekt mit bekanntem und fixem Abstand zu beleuchten, ist die Auswahl der notwendigen Fokussierung vergleichsweise einfach. Aufwendiger gestaltet sich die Auswahl der richtigen Beleuchtung, wenn ein Objekt keinen genau definierten Abstand zum Licht hat, oder die zu untersuchende Oberfläche nicht flach sondern räumlich ist.
Die meisten Menschen verbinden mit dem Begriff ‚Scannen‘ das Digitalisieren von Dokumenten, eine zeilenbasierte Abtastung eines relativ kleinen flachen Objektes mit optischen Sensoren. Im Bereich von AOI (Automated Optical Inspection) sind die technologischen Anforderungen weitaus anspruchsvoller: Mit modernen Scansystemen werden nicht nur großformatige, flächige Objekte digitalisiert, mithilfe von 3D-Bilderfassungsverfahren müssen darüber hinaus auch große Höhenbereiche abgedeckt werden. Geeignete Lösungen verlangen nicht nur innovative, zeilenbasierte Scantechnologien, sie setzen auch den Einsatz leistungsstarker, hochspezialisierter Beleuchtungssysteme voraus.

Komplexe AOI-Anforderungen

Anwendungen, bei denen allein aufgrund der schieren Größe des Prüfobjektes besondere Lichtlösungen benötigt werden, gibt es beispielsweise in der holzverarbeitenden Industrie. In modernen Sägemühlen werden Holzbalken/-bretter mit Geschwindigkeiten von bis zu 12m/s – gleichzeitig von allen vier Seiten – automatisiert auf Qualitätsmerkmale gescannt. Auch beim AOI-Einsatz in der Verpackungsindustrie werden höchste Anforderungen an die Beleuchtung gestellt. Kartons und Wellpappen, die später in Verpackungskisten für Umzüge oder Warentransporte Verwendung finden, werden mit modernen Maschinen in großflächigen Einheiten produziert und bedruckt. Die automatisierte Inspektion der Druckqualität erfordert gleichzeitig eine hohe Auflösung und Toleranz gegenüber einer nicht sehr präzisen Führung der Kartons im Produktionsmaschinen-Workflow. Letztendlich verlangen auch AOI-Anwendungen im Bereich der Logistik eine unglaubliche Flexibilität im Hinblick auf die Handhabung und das Nachverfolgen von Verpackungseinheiten jeder Größe. Das Lesen von Transport-Tags auf den Kisten erfordert eine extrem flexible Kameravorrichtung und eine perfekte Ausleuchtung, unabhängig von der Größe und Bauform der Kiste. Die Kisten werden in vielen Fällen auf Rollen oder Wagen in der gleichen Höhe bewegt, die Tags sind jedoch aufgrund der unterschiedlichen Höhen der Kisten auf ganz verschiedenen Niveaus angebracht. Im Wesentlichen lassen sich im AOI-Segment drei Anforderungsszenarien für Beleuchtungen unterscheiden:

  • • Großer Arbeitsabstand: Es gibt Anwendungen, bei denen der Arbeitsabstand zwischen der Scanvorrichtung mit Zeilenkamera und Beleuchtung und dem Prüfobjekt groß sein muss. Anwendungsfälle gibt es z.B. in der Lebensmittelindustrie. Aus Hygienegründen und um potenziell mögliche Verschmutzungen der Esswaren zu vermeiden, erfolgt die Inspektion aus vergleichsweise großem Abstand. Ebenfalls aus weiter Entfernung findet die Inspektion auch bei Anwendungen in der Stahlindustrie statt. Grund ist hierbei die extrem hohe Temperatur bei der Kontrolle des glühenden Stahlgusses.
  • • Große Ausleuchtungstiefe: In der Nahrungsmittelindustrie werden große Fleischstücke in hohen Kunststoffkisten über Transportbänder von einer Station zur nächsten transportiert. Die optische Überprüfung der Qualität und Form des Fleischstücks erfordert hier eine gute Ausleuchtung über die gesamte Tiefe der Kiste. Auch für die exakte 3D-Vermessung von Objekten ist eine große Ausleuchtungstiefe eine Grundvoraussetzung, um sicherzustellen, dass der gesamte Höhenbereich des Prüfobjektes gleichmäßig beleuchtet ist.
  • • Applikationsspezifische Besonderheiten: Ein Beispiel hierfür ist die Vermeidung von Blendung anderer Kameras, wenn die Inspektion eines Objektes gleichzeitig über mehrere Kameras erfolgt. Auch mögliche Reflektionen, die beispielsweise durch ein Schutzglas zwischen Objekt und Beleuchtung entstehen und zu Blendungen des eigenen Kamerasystems führen, gilt es durch geeignete Maßnahmen zu vermeiden.

Nichts bleibt im Dunkeln

Optimale Lichtbedingungen sind die Voraussetzung für perfekte Bilder. Zu diesem Zweck stehen Anwendern heute hochspezialisierte LED-Beleuchtungssysteme mit unterschiedlichen Abstrahlcharakteristiken zur Verfügung. Dazu gehören Auflicht- und Dunkelfeldbeleuchtungssysteme, die sich durch extrem hohe Lichtstärke und Homogenität auszeichnen, aber auch Hellfeld- und Durchlichtbeleuchtungssysteme, die aufgrund ihrer außergewöhnlichen Leuchtdichte und Farbgleichmäßigkeit für den Einsatz in Hochgeschwindigkeitsanwendungen prädestiniert sind. Eine dritte Alternative, sogenannte Tunnelbeleuchtungssysteme, wurden speziell für Zeilenkamera-Applikationen mit diffusen Lichtverhältnissen konzipiert. Sie eignen sich aufgrund ihrer gleichförmigen Lichtverteilung besonders für die automatische Inspektion von Werkstücken mit hoch reflektierenden oder glänzenden Oberflächen. Um unerwünschte Lichtreflexe – hauptsächlich bei fokussierenden Beleuchtungen – zu verhindern, können Anwender zudem auf Polarisationsfilter zurückgreifen. Eines der Hauptanwendungsgebiete ist das Lesen von Tags/Adressen, die hinter einer reflektierenden Plastikfolie bzw. einem transparenten Sichtfenster liegen. Beim Einsatz derartiger Filter in der industriellen Bildverarbeitung gilt es jedoch einige Faktoren zu beachten. Ein Punkt ist die Temperaturstabilität der Filter. Viele Polarisationsfilter sind diesbezüglich nur eingeschränkt einsetzbar. Ein weiteres Kriterium ist die Effektivität: Durch derartige Anordnungen erreichen oft weniger als 20 Prozent der ursprünglichen Lichtmenge den Sensor. Die Lichtmenge der Beleuchtung muss also entsprechend hoch sein, um Rauschen zu minimieren und dennoch eine ausreichende Bildqualität beim Einsatz von Polarisationsfiltern zu erzielen.

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