Anwendungsspezifische Objektiv- und Beleuchtungsauswahl

Wichtige Punkte, die vor der Einführung eines Bildverarbeitungssystems überprüft werden sollten

  1. Auswahl der für die Überprüfung erforderlichen Komponenten:
    Auswahl der Komponenten, die den Prüfanforderungen entsprechen
    Kamera / Controller / Beleuchtung / Objektiv / Monitor
  2. Erfassung und Beurteilung
    Erprobung des Bildverarbeitungssystems am Prüfobjekt.
    Referenzteile für Gut- und Schlechtteile
    Prüfzykluszeit
    Vielfalt der Prüfungen
  3. Auswahl des Installationsortes
    Beurteilung der spezifischen Installationsbedingungen.
    Bewegliches bzw. stationäres Prüfobjekt
    Umgebungsbedingungen, einschließlich Umgebungslicht und Vibration
  4. Automatisierungssteuerung
    Festlegen der Ein- und Ausgaben des Bildverarbeitungssystems
    Zeitsteuerung der Bilderfassung / Beurteilungsergebnis / SPS-Steuerung / Datenausgabe
  5. Vor-Ort-Prüfung
    Erprobung des Bildverarbeitungssystems an einer Produktionslinie
    Feinanpassung der Einrichtung
    Statistik
    Prüfung der Kommunikation (Ein- und Ausgaben)
  6. Grundlagenkenntnisse der Bedienung
    Grundlegende Einstellverfahren für eine stabile Überprüfung
    Einstellung der Toleranzwerte
    Empfindlichkeitseinstellung
    Ändern der Prüfeinstellungen
    Referenzbilder/-werte

LED-Beleuchtungen kommen in der Bildverarbeitung häufig an Maschinen zum Einsatz. Die Auswahl der bestmöglichen Beleuchtung für die jeweilige Prüfanforderung erfolgt in drei Schritten.

  1. Festlegung der Abstrahlungsrichtung am Objekt
  2. Festlegung von Beleuchtungstyp und -form
  3. Festlegung der Farbe des Lichts (Wellenlänge)

Standardbeleuchtungsarten (für LED-Leuchten)

  • Koaxialtyp
    CA-DX

  • Flachwinkelleuchte
    CA-DL

  • Ringleuchten
    CA-DR

  • Hintergrundbeleuchtung
    CA-DS

  • Kuppeltyp
    CA-DD

  • Stabtyp
    CA-DB

Auswahl der für die Prüfung erforderlichen Instrumente [Beleuchtungs-/Objektivauswahl]

【Beleuchtungswahl - Schritt 1】Festlegen der Abstrahlungsrichtung (Spiegelreflexion, diffuse Reflexion, Durchlicht)

Grundlagen des Lichts

Wenn das Licht (dunkelgrauer Pfeil) auf die Oberfläche des Teils trifft, kann es breit in vier verschiedene Richtungen gestreut werden

  1. Spiegelreflexion, bei der das Licht in demselben Winkel reflektiert wird, Prinzip Einfalls- gleich Ausfallswinkel
  2. Diffus reflektiertes Licht wird an der Teiloberfläche gestreut
  3. Durchtretendes Licht geht direkt durch das Teil hindurch
  4. Diffus durchtretendes Licht wird an der Oberfläche gestreut und geht dann hindurch

Legt man das einfallende Licht auf 100 % fest, dann wird der Teil des Lichts, der im selben Winkel zurückgeworfen wird, als Spiegelreflexion, das übrige Licht als diffuse Reflexion und die Summe aus beiden Werten als Gesamtreflexion bezeichnet.

Drei Haupttypen von Beleuchtungsrichtungen, die für die industrielle Bildverarbeitung in Frage kommen.

  • Typ mit Spiegelreflexion
    Das Licht, das auf das Objektiv trifft, wird vom Prüfobjekt wie von einem Spiegel zurückgeworfen, was vor allem bei Teilen mit reflektierenden Oberflächen wie Glassubstraten besonders effektiv funktioniert
  • Diffus reflektierender Typ
    Auf das Objektiv trifft ein gleichförmig gestreutes Licht, während es gespiegeltes Licht aussendet. Dieser Typ ist vor allem für Prüfungen von durchsichtigen Bändern geeignet, wenn reflektierende Bereiche ignoriert werden sollen.
  • Typ mit durchtretendem Licht (Hintergrundbeleuchtung)
    Das Licht trifft von unten auf das Prüfobjekt, sodass sich mit/ohne durchtretendem Licht eine Silhouette abzeichnet. Dieser Typ eignet sich vor allem bei lichtdurchlässigen Teilen wie Vliesstoffen.
(1)Beispiel für einen Typ mit Spiegelreflexion : Prüfung von Glassubstrat auf Werkstofffehler / (2)Beispiel für den diffus reflektierenden Typ : Prüfung von Folienaufdrucken an einem Mikrochip / (3)Beispiel für den Typ Hintergrundbeleuchtung : Erkennung von Fremdkörpern in einem Vliesstoff
Beleuchtungsauswahl - Schritt 1

Die Richtung des Lichts anhand des Materials bzw. der Form des Prüfobjekts und des Prüfzwecks festlegen. Drei Optionen stehen zur Wahl: Spiegelreflexion, diffuse Reflexion und Hintergrundbeleuchtung.

【Beleuchtungswahl - Schritt 2】Festlegen von Beleuchtungstyp und -form

Nachdem die Beleuchtungsrichtung festgelegt ist, muss anschließend noch entsprechend der Prüfanforderung, dem Hintergrund und den Umgebungsbedingungen das passende Beleuchtungsmodell ausgewählt werden. Wählen Sie aus den Beleuchtungsoptionen für jede Beleuchtungsrichtung, wie unten dargestellt einen geeigneten Beleuchtungstyp aus.

Passender Beleuchtungstyp für die jeweilige Beleuchtungsrichtung
Spiegelreflexion Koaxialleuchte Ringleuchte Stableuchte
Diffuse Reflexion Flachwinkelleuchte Ringleuchte Stableuchte
Hintergrundbeleuchtung Lichtquelle Stableuchte -
(1)Beispiel für die Erkennung mittels Spiegelreflexion
Wahl der Beleuchtung nach Teil und Prüfanforderungen Licht fällt auf die Oberfläche der Glasplatte > Zwischen Glasplatte und Hintergrund muss unterschieden werden > Abstrahlung lotrecht zum Teil ist optimal > Oberhalb des Teils ist Platz vorhanden > Koaxialleuchte ist die beste Wahl
(2)Beispiel für die Erkennung mit Hintergrundlicht
Wahl der Beleuchtung nach Teil und Prüfanforderungen Die Oberfläche des Metallteils ist uneben, daher ist keine gleichförmige Spiegelreflexion möglich > Formdefekte werden mittels durchtretendem Licht anhand der Silhouette detektiert > Beleuchtung kann hinter dem Teil positioniert werden > Hintergrundbeleuchtung ist die beste Wahl

【Beleuchtungswahl - Schritt 3】Festlegen der Farbe des Lichts/Wellenlänge

In einem letzten Schritt muss man sich für eine Beleuchtungsfarbe entscheiden, die für das vorliegende Teil und den Hintergrund am besten ist. Weiß ist für gewöhnlich die erste Wahl, wenn man mit einer Farbkamera arbeitet. Bei Verwendung einer Schwarz-Weiß-Kamera muss man sich dagegen der folgenden Punkte bewusst sein.

Komplementärfarben : Gegenüberliegende Paare im Farbkreis werden als Komplementärfarben bezeichnet. Wenn Licht in einer Komplementärfarbe auf eine Gegenfarbe auftrifft, wird diese nahezu schwarz. / Wellenlänge: Je nach Wellenlänge erscheint Licht in einer anderen Farbe. Licht mit einer größeren Wellenlänge (rot) geht mühelos durch eine Folie hindurch, während kürzere Wellenlängen (blau) eher zur Diffusion neigen, wenn die Oberfläche Unebenheiten wie Kratzer aufweist.

Beleuchtungswahl - Schritt 3

Statt die einzelnen Möglichkeiten blind durchzuprobieren, lässt sich anhand der folgenden Schritte gezielt die richtige Beleuchtung ermitteln:

  • Entscheidung, welcher Typ geeignet ist: Spiegelreflexion, diffuse Reflexion oder Hintergrundbeleuchtung
  • Festlegung von Form (Modell) und Größe der Beleuchtung.
  • Festlegung der Farbe (Wellenlänge) des Lichts.

【Objektivwahl - Schritt 1】Berechnung von Brennweite und Sichtfeld

Zu den technischen Daten eines Objektivs gehört die Brennweite. Typische Objektivbrennweiten in der Werksautomation sind 8, 16, 25 und 50 mm. Aus dem Sichtfeld (Field of View = FOV) und der Brennweite lässt sich der Arbeitsabstand (Working Distance = WD) berechnen, also der Abstand, an dem die Kamera für das zu erfassende Prüfobjekt scharf gestellt ist.

Die Werte für WD und FOV hängen von der Brennweite des Objektivs und der Größe des Bildsensors ab. Wenn der Arbeitsabstand (WD) größer als der Mindest-Arbeitsabstand und kein Nahaufnahmering erforderlich ist, kann WD anhand der folgenden Formel berechnet werden.

WD / Sichtfeld = Brennweite / Sensorgröße

Beispiel 1: Bei Verwendung eines Objektivs mit einer Brennweite von 16 mm und einem Bildsensor von 3,6 mm sollte WD bei 200 mm liegen, um ein Sichtfeld von 45 mm zu erhalten.

【Objektivwahl - Schritt 2】Möglichkeiten zur Erhöhung der Tiefenschärfe (Bereich, in dem das Objektiv fokussiert bleibt)

  • Je kürzer die Brennweite, desto größer die Tiefenschärfe des Objektivs.
  • Mit zunehmendem Abstand zum Prüfobjekt nimmt auch die Tiefenschärfe zu.
    →Dabei ist zu beachten, dass die Tiefenschärfe abnimmt, wenn man mit einem Nahaufnahmering oder einem Makroobjektiv arbeitet.
  • Je kleiner die Blendenöffnung, desto größer die Tiefenschärfe.
    →Durch verkleinern der Blende und bei hellem Licht kann man leichter fokussieren.

In diesem Beispiel werden Aufnahmen mit einer kleineren und einer maximalen Blendenöffnung verglichen, wenn ein Prüfobjekt aufgenommen werden soll, an dem wie im Bild unten dargestellt ein Maßband befestigt ist, um die Höhe einer Neigung zu erfassen.

Aufnahme mit kleinerer Blende (CA-LH25) / Aufnahme mit max. Blende (CA-LH25)

【Objektivwahl - Schritt 3】Kontrastverhältnis aufgrund der Objektivleistung

Die Bilder rechts zeigen dieselben Prüfobjekte, einmal aufgenommen mit dem hochauflösenden Objektiv CA-LH16 von KEYENCE und einmal mit dem Standardobjektiv CV-L16. Die Unterschiede in den Bildern sind auf Material und Aufbau der Objektive zurückzuführen. Durch Auswahl eines hochauflösenden Objektivs erhält man je nach Anwendung Bilder mit höherem Kontrast.

Objektiv CA-LH16/CV-L16
Prüfobjekt Kopierpapier
Sichtfeld 60 mm / Defektgröße ca. 0,3 mm
CA-LH16 Hochauflösendes Objektiv: Defektpegel54 / CV-L16 Standardobjektiv: Defektpegel38

Objektivwahl - Schritt 3

Ein Objektiv wie unten beschrieben auswählen:

  1. Bestimmen der Brennweite anhand der Größe der Bildaufnahme und des möglichen Montageabstandes.
  2. Abschätzen der erforderliche Tiefenschärfe anhand der Form des Prüfobjekts.
  3. Auswahl, ob ein hochauflösendes Objektiv oder ein Standardobjektiv verwendet werden soll.

0800-5393623

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