LED-Beleuchtung: Prüfen und Messen in Hochgeschwindigkeit mit Strobing-Techniken für Machine Vision

Bildverarbeitung: Synchronisiertes Hochenergie-Überstrom-Strobing

  • Abb. 1 – Bilderfassung bei konstanter Beleuchtung
  • Abb. 2 – Synchronisiertes Schwachstrom-Strobing
  • Abb.3 – Synchronisiertes Überstrom-Strobing
  • 4a Umgebungslicht: 200 µs Belichtungszeit, Abb. 4b Konstante Beleuchtung 500 µs Belichtungszeit, Abb. 4c 5x Überstrom-Strobing 200 µs Belichtungszeit

Wenn Licht schnell blinkt, bezeichnet man das in der Bildverarbeitung als Strobing. Strobing-Beleuchtungen werden von Unternehmen wie Rauscher für die Hochgeschwindigkeitsprüfung verwendet, wobei das Timing oft an ein externes Ereignis gekoppelt ist. In Machine-Vision-Anwendungen kann Strobing auch mehrfache Blitze als Reaktion auf ein oder mehrere Ereignisse während mehrerer Kamerabelichtungszeiten umfassen. Von den in Machine-Vision am häufigsten verwendeten Lichtquellen sind nur LED- und Xenon-Lichtquellen für Strobing gut geeignet.

LED-Leuchten für Hochenergie-Überstrom-Strobing

Hochenergie-Überstrom-Strobing nutzt die Eigenschaft von LED-Leuchten, Wärme bei sehr niedrigem Tastverhältnis (typ. < 1 %) abzuleiten, was eine höhere Stromzufuhr und damit hellere Lichtblitze erlaubt. Das Strobing steigert die Helligkeit der Beleuchtung und verlängert gleichzeitig die Lebensdauer der LED-Lampe. Bei der Anwendung von Überstrom-Strobing mit sehr niedrigem Tastverhältnis ist unbedingt zu beachten, dass die Belichtungszeit der Kamera der Einschaltzeit des Leuchtenkopfes entsprechen muss. Andernfalls wird vom CCD-Sensor auch zusätzliches Umgebungslicht gesammelt, das den kurzzeitigen Blitz überlagert.

Anwender sollten zwischen Strobing-Techniken mit konstanter Stromstärke (d. h. Blinken ohne Überstrombetrieb) und solchen mit Überstrom-Strobing unterscheiden, da sich die erzielten Ergebnisse erheblich unterscheiden.

Schwachstrom-Blinken und Hochenergie-Überstrom-Strobing

Zwei häufig eingesetzte Strobing-Modelle sind einfaches Schwachstrom-Blinken und Hochenergie-Überstrom-Strobing. In beiden Fällen wird der Lichtblitz typischerweise als Reaktion auf ein externes, periodisch auftretendes Ereignis synchron zur Kamerabelichtung gezündet. Timing, Häufigkeit (Wiederholungs- oder Blitzrate) und Dauer (Impulsbreite) werden entweder durch die interne Schaltung des Strobe-Controllers bestimmt oder extern über einen Trigger.

Die Unterschiede zwischen den Modellen sind:

  • Die Variation in der Lichtblitzdauer gegenüber der Kamerabelichtungszeit,
  • die Stromstärken zur Erzeugung der Blitze und
  • Die verfügbare Beleuchtungsintensität pro Zeiteinheit während des Blitzens

Beim einfachen Schwachstrom-Blinkmodell (Abb.2), das mit konstanter Stromstärke betrieben wird, ist das Licht oft mindestens während der gesamten Kamerabelichtungszeit eingeschaltet, um die Lichtaufnahme wegen der relativ begrenzten Intensität zu maximieren.

Diese Blitztechnik wird wegen ihrer einfachen und weniger kostspieligen Implementierung eingesetzt. Sie hat ihre Grenzen, kann jedoch bei Anwendungen mit relativ niedriger Geschwindigkeit akzeptabel sein. Bei Hochgeschwindigkeitsprüfungen bietet Hochenergie-Überstrom-Strobing mehrere Vorteile.

Zwei häufig angewendete Methoden zur Implementierung von Überstrombetrieb:

  • Impulsgabe von Hochstrom direkt aus einer Gleichstromquelle und
  • Impulsgabe aus einer externen Stromquelle unter Verwendung von Kondensatoren.

In beiden Implementierungen muss das Hochenergie-Überstrom-Strobing mit einem Tastverhältnis von unter 1 % erfolgen, bei dem das Licht weit mehr Strom pro Zeiteinheit verarbeiten kann als bei einem Tastverhältnis von 100 %, wodurch die Lichtleistung erhöht wird (Abb. 3). Die Wirksamkeit und der Umfang der Überstromkapazität hängen eng mit dem Tastverhältnis des Lichts und in einem geringeren Umfang mit dem Leuchtentyp sowie der Qualität der Ansteuerungselektronik zusammen. Nach Synchronisation mit der Kamera kann die Lichtintensität das Umgebungslicht effektiv überstrahlen und dafür sorgen, dass nur das gewünschte Licht den Sensor erreicht. Da eine Kamera bei offenem Verschluss jedes verfügbare Licht einfängt, kann durch die Erhöhung der Lichtleistung und Verringerung der Verschlusszeit erreicht werden, dass keine weiteren Methoden notwendig sind, um die Menge an unerwünschtem Licht zu kontrollieren, das den Sensor erreicht.

Hochenergie-Überstrom-Strobing in der Praxis

Abb. 4 zeigt ein Beispiel für Hochenergie-Überstrom-Strobing an einem Fließband. Unter der an der Decke montierten Umgebungsbeleuchtung der Fabrik (Abb. 4a) reicht die Lichtintensität bei einer Kamerabelichtungszeit von 200 µs (erforderlich zum Einfrieren der Bewegung) nicht aus, um die Anwesenheit der Ampullen zu prüfen oder diese zu zählen.

Bei dedizierter konstanter Beleuchtung bei gleichmäßiger Stromstärke und einer inakzeptablen 2,5-mal längeren Kamerabelichtungszeit sind die Ampullen zwar sichtbar, aber wegen verschwommener Aufnahmen und niedrigem Beleuchtungsgrad schwer zu zählen (Abb. 4b). Durch Senken des Tastverhältnis auf unter 0,5 % und Erhöhen des Stroms auf das 5-fache der konstanten Stromstärke ist es möglich, die Bewegung bei 200 µs einzufrieren und die Ampullen zu prüfen und zu zählen (Abb. 4c).

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