Als Umgebungslicht wird jegliches Licht bezeichnet, das auf den Kamerasensor trifft und nicht von der gesteuerten Lichtquelle des Visionssystems stammt. In Produktionsumgebungen ist Umgebungslicht stets vorhanden. Deckenleuchten mit Leuchtstoffröhren oder LEDs, Oberlichter, Licht von benachbarten Maschinen sowie Reflexionen von Oberflächen sorgen allesamt für unerwünschte Beleuchtung im Prüfbereich.
Umgebungslicht verursacht auf zweierlei Weise Probleme bei der Bildgebung. Es fügt dem Bild eine unkontrollierte Hintergrundbeleuchtung hinzu, wodurch der Kontrast zwischen dem beleuchteten Merkmal und dem Hintergrund verringert wird. Zudem verändert es sich im Laufe der Zeit, wenn sich die Bedingungen in der Fertigung ändern – Schichtwechsel, saisonale Schwankungen der Tageslichtintensität, Betriebszyklen benachbarter Maschinen –, sodass sich die Bildeigenschaften verschieben, selbst wenn sich das zu prüfende Bauteil nicht verändert hat.
Wie Umgebungslicht zu Fehlakzeptanzen und Fehlablehnungen führt
Ein Bildverarbeitungsalgorithmus wird so trainiert oder konfiguriert, dass er Merkmale bei einem bestimmten Kontrastniveau erkennt. Wenn das Umgebungslicht die effektive Beleuchtungsstärke des Bauteils verändert, ändert sich das Kontrastniveau. Merkmale, die zuvor erkennbar waren, verschwinden. Schatten oder Reflexionen, die durch Umgebungslichtquellen entstehen, lösen falsche Kantsignale aus. Die Folge sind höhere Ausschussraten, höhere Falschangenahmequoten oder beides.
Das Problem tritt häufig nur sporadisch auf. Das System funktioniert während der Inbetriebnahme in einer kontrollierten Umgebung einwandfrei, verursacht jedoch im Produktionsbetrieb Fehler. Die Fehlerquote schwankt je nach Schicht, Jahreszeit oder Tageszeit. Um das Umgebungslicht als Ursache zu identifizieren, sind systematische Messungen der Prüfumgebung unter verschiedenen Umgebungsbedingungen erforderlich.
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Werkseitige Umgebungslichtquellen
Die Kenntnis der Eigenschaften der in einer Fabrik vorhandenen Umgebungslichtquellen hilft bei der Auswahl der effektivsten Strategie für die Umgebungslichtunterdrückung.
Leuchtstoff- und LED-Röhrenbeleuchtung
Leuchtstoffröhren strahlen ein breites Spektrum über den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich ab. Ihr Licht flackert mit der doppelten Netzfrequenz – 100 Hz in Europa, 120 Hz in Nordamerika. Dieses Flackern kann in Wechselwirkung mit den Bildraten von Kameras treten und zu periodischen Schwankungen der Bildhelligkeit führen. Auch moderne LED-Ersatzröhren flackern, allerdings bei höheren Frequenzen, die für Kameras mit niedrigeren Bildraten möglicherweise weniger sichtbar sind.
LED-Röhren weisen in der Regel einen ausgeprägten spektralen Peak im blauen und gelbgrünen Bereich auf.
Wenn die Beleuchtungseinheit für das Maschinelle Sehen im roten oder im Bereich der Nahen Infrarot-Wellenlänge arbeitet, filtert ein auf die Wellenlänge der Beleuchtung abgestimmter Bandpassfilter einen Großteil des Lichts der Leuchtstoffröhre heraus.
Oberlichter und Sonnenlicht
Natürliches Tageslicht ist eine breitbandige Lichtquelle, die den Bereich von UV bis NIR (Nahes Infrarot) abdeckt. Seine Intensität schwankt stark je nach Wetter, Tageszeit und Jahreszeit. Einrichtungen mit Dachoberlichtern oder großen Fenstern sind besonders anfällig für durch Tageslicht bedingte Schwankungen bei der Prüfung. Oberlichter in der Nähe der Prüfstation können direktes oder diffuses Tageslicht auf das Prüfteil werfen, dessen Position sich im Laufe des Tages verändert.
Tageslicht ist die Umgebungslichtquelle, die sich mit spektraler Filterung am schwierigsten unterdrücken lässt, da es den gesamten sichtbaren und NIR-Bereich abdeckt. Bauliche Maßnahmen – Gehäuse, Blenden oder Verdunkelungsvorhänge – stellen bei Oberlichtern oft den wirksamsten Ansatz dar.
Beleuchtung benachbarter Maschinen
Andere Visionssysteme in der Nähe, Schweißlichtbögen, Ofenlicht und Kontrollleuchten sorgen ebenfalls für eine lokale Beleuchtung, die bis zur Prüfstation reichen kann. Diese Lichtquellen liegen häufig bei bestimmten Wellenlängen oder kommen aus bestimmten Richtungen, wodurch sie sich leichter charakterisieren und ausschließen lassen als breitbandige Lichtquellen.
Strategie 1: Optische Bandpassfilter
Ein vor dem Kameraobjektiv angebrachter optischer Bandpassfilter lässt nur einen schmalen Wellenlängenbereich durch, dessen Mittelpunkt bei der Wellenlänge der Beleuchtungseinheit liegt, und blockiert alle anderen Wellenlängen. Wenn die Beleuchtungseinheit für das Maschinelle Sehen Nahes Infrarot bei 850 nm aussendet und die Kamera mit einem 850-nm-Bandpassfilter ausgestattet ist, nimmt die Kamera ausschließlich die 850-nm-Beleuchtung der Beleuchtungseinheit wahr. Sichtbares Umgebungslicht, das nur wenig Strahlung bei 850 nm enthält, wird ausgeblendet.
Für diese Strategie muss die Beleuchtungseinheit eine Wellenlänge aufweisen, die sich von den vorherrschenden Umgebungslichtquellen unterscheidet. Eine Infrarot-Beleuchtung im Nahen Infrarot ist besonders effektiv, da die meisten Umgebungslichtquellen in Fabriken hauptsächlich im sichtbaren Spektrum strahlen. Der Kamerasensor muss für die gewählte NIR-Wellenlänge empfindlich sein, was bei handelsüblichen monochromen Sensoren auf Siliziumbasis der Fall ist.
Bandpassfilter sind für die Standard-LED-Wellenlängen erhältlich: 365 nm UV, 470 nm Blau, 525 nm Grün, 617 nm Rot, 780 nm, 850 nm und 940 nm NIR (Nahes Infrarot). Die Bandbreite des Filters – typischerweise 10 nm bis 50 nm – bestimmt, wie effektiv er Licht außerhalb der Zielwellenlänge zurückhält, während er gleichzeitig die Durchlässigkeit für die Beleuchtungseinheit der Zielwellenlänge gewährleistet.
Strategie 2: Stroboskopmodus mit kurzen Belichtungszeiten
Die Belichtungszeit der Kamera legt fest, wie lange der Sensor das einfallende Licht aufnimmt. Eine kurze Belichtungszeit reduziert die pro Bild aufgenommene Gesamtmenge an Umgebungslicht, da die Umgebungslichtquelle nur für eine kürzere Zeit beiträgt. Die gesteuerte Beleuchtungseinheit, die im Blitzmodus mit hoher Spitzenintensität betrieben wird, liefert eine große Lichtmenge in einem sehr kurzen Impuls. Das Verhältnis des Signals der Beleuchtungseinheit zum Umgebungslicht steigt mit abnehmender Belichtungszeit an.
Auch der Stroboskopmodus friert Bewegungen ein. Ein sich mit hoher Geschwindigkeit auf einem Hochgeschwindigkeitsförderband bewegendes Teil bleibt im Bild scharf, sofern die Belichtungszeit kurz genug ist. Dies bietet einen doppelten Vorteil bei der Hochgeschwindigkeitsprüfung, bei der sowohl Bewegungsunschärfe als auch die Umgebungslichtunterdrückung eine Rolle spielen.
RODER Vision-Beleuchtungseinheiten unterstützen den getriggerten Stroboskopmodus über ein digitales Eingangssignal. Die Dauer des Stroboskopimpulses wird in der Regel je nach erforderlicher Intensität und den Anforderungen an die Bewegungseinfrierung auf einen Wert zwischen 10 µs und 2 ms eingestellt. Bei einer Belichtungszeit von 100 µs tragen die meisten Umgebungslichtquellen in der Fertigung weniger als 1 % zum Signalpegel einer ordnungsgemäß spezifizierten Beleuchtungseinheit für die Stroboskop-Beleuchtung bei.
Strategie 3: Physikalische Gehäuse und Leitwände
Ein physisches Gehäuse um den Prüfbereich herum filtert Umgebungslicht heraus, indem es dessen Weg zum Bauteil und zur Kamera unterbricht. Dies ist die wirksamste Strategie, wenn spektrale Filterung und Stroboskoptechniken nicht ausreichen. Ein innen mattschwarz lackiertes Gehäuse dämpft interne Reflexionen. Lichtfallen an allen Öffnungen – für den Ein- und Austritt der Bauteile – verhindern, dass Umgebungslicht in den Produktweg eindringt.
Gehäuse sind Standardkomponenten in Inspektionssystemen für die Pharma- und Lebensmittelindustrie, wo ein Höchstmaß an Umgebungslichtunterdrückung erforderlich ist. Sie erhöhen die mechanische Komplexität und die Kosten und schränken den Zugang für Wartungsarbeiten ein. Diese Vor- und Nachteile müssen abgewogen werden, wenn entschieden wird, ob ein Gehäuse erforderlich ist.
Teilgehäuse oder Blenden – Paneele, die bestimmte Umgebungslichtwege unterbrechen, ohne den Arbeitsplatz vollständig zu umschließen – stellen eine kostengünstigere Zwischenlösung dar. Eine Blende, die so positioniert ist, dass sie direktes Tageslicht durch ein Dachfenster abhält, kann ausreichend sein, sofern dies die vorherrschende Umgebungslichtquelle ist.
Strategie 4: Hintergrundplatten für die Dunkelfeldmikroskopie
Dunkle Hintergründe absorbieren das Umgebungslicht, anstatt es zu reflektieren. Bei Anwendungen, bei denen die Prüfung auf der reflektierten Beleuchtung von der Werkstückoberfläche beruht, verhindert ein mattschwarzer Hintergrund hinter dem Werkstück, dass Umgebungslicht von den Hintergrundoberflächen zurück zur Kamera reflektiert wird. Dadurch wird das Signal-Hintergrund-Verhältnis ohne spektrale Filterung oder Gehäuse verbessert.
Kombination von Strategien für maximale Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungslicht
Die robustesten Visionssysteme setzen mehrere Strategien gleichzeitig ein. Eine gängige Kombination ist die NIR-Beleuchtung mit einem NIR-Bandpassfilter, die im Stroboskop-Modus innerhalb eines Teilgehäuses mit einer dunklen Hintergrundplatte betrieben wird. Jede Schutzschicht reduziert den Einfluss des Umgebungslichts. Zusammen können sie eine Umgebungslichtunterdrückung erreichen, die für Außenbereiche oder industrielle Umgebungen mit starkem Umgebungslicht ausreichend ist.
Die richtige Kombination hängt vom Ausmaß des Problems mit dem Umgebungslicht und den Kostenvorgaben der jeweiligen Anwendung ab. Systeme in klimatisierten Räumen der Elektronikfertigung benötigen möglicherweise lediglich den Stroboskopmodus. Systeme in Fabriken mit Oberlichtern in der Nähe von Anlagen zur Lebensmittelverarbeitung erfordern in der Regel eine spektrale Filterung sowie Gehäuse.
Prüfung der Unempfindlichkeit Ihres Systems gegenüber Umgebungslicht
Bei der Prüfung der Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungslicht wird gemessen, inwieweit sich das Bild verändert, wenn sich die Umgebungsbedingungen ändern. Bei einem einfachen Test wird zunächst ein Referenzbild aufgenommen, wobei alle Umgebungslichtquellen abgeschirmt sind; anschließend wird ein zweites Bild unter normalen Umgebungsbedingungen aufgenommen. Der Unterschied zwischen den beiden Bildern quantifiziert den Einfluss des Umgebungslichts. Ist der Unterschied im Verhältnis zum Kontrast der Merkmale gering, weist das System eine ausreichende Unempfindlichkeit auf. Ist dies nicht der Fall, sind weitere Maßnahmen zur Unterdrückung erforderlich.
Die Tests sollten die ungünstigsten Umgebungsbedingungen abdecken: volles Tageslicht durch Oberlichter im Sommer, alle Werksbeleuchtungen eingeschaltet und benachbarte Maschinen im Betrieb. Ein System, das den Test nur nachts oder nur im Winter besteht, ist keine robuste Anlage.
Produkte und Technologien
RODER Vision-Beleuchtungseinheiten für die Umgebungslichtunterdrückung
Die unten aufgeführten Roder Vision-Produktfamilien eignen sich für Anwendungen, bei denen eine hohe Umgebungslichtunterdrückung erforderlich ist. Jede dieser Produktfamilien ist in den Wellenlängen des NIR (Nahes Infrarot) erhältlich und unterstützt den Stroboskopbetrieb.
DL6 – LED-Matrix mit hoher Packungsdichte
Erhältlich bei 850 nm und 940 nm im NIR (Nahes Infrarot). Hohe Spitzenintensität im Strobe-Modus. HTTM-Wärmestabilität. Ideal für Produktionsumgebungen mit hohen Umgebungstemperaturen.
DL5 – Hochintensitäts-LED-Matrix
Die im Stroboskopmodus erzielte sehr hohe Spitzenintensität überlagert Umgebungslichtquellen. Erhältlich in Rot und im Bereich des NIR (Nahen Infrarots). Geeignet für kurze Impulse bis hinunter zu 10 µs.
DC6 — LED-Ringbeleuchtung mit hoher Dichte
Kompakte Beleuchtungseinheit im NIR-Wellenlängenbereich mit Strobe-Trigger-Eingang. Geeignet für roboterbasierte Anwendungen und Förderbandanwendungen in Umgebungen mit hoher Umgebungslärmbelastung.
BL3 — LED-Durchlichtbeleuchtungen
Erhältlich in NIR-Wellenlängen für die Transmissionsprüfung mit hoher Umgebungslichtunterdrückung. Hohe Gleichmäßigkeit. Kompatibel mit Strobe-Trigger.
Häufig gestellte Fragen
Die Umgebungslichtunterdrückung bezeichnet die Fähigkeit eines Systems für Maschinelles Sehen, trotz unkontrollierter Lichtquellen in der Fabrikumgebung eine gleichbleibende Bildqualität zu gewährleisten. Dies wird durch eine Kombination aus spektraler Filterung, Stroboskop-Beleuchtung, physischen Gehäusen und dunklen Hintergründen erreicht. Ein System mit unzureichender Umgebungslichtunterdrückung liefert schwankende Prüfergebnisse, die eher von den Lichtverhältnissen in der Fabrik als vom zu prüfenden Bauteil abhängen.
Eine Nah-Infrarot-Beleuchtung bei 850 nm oder 940 nm ist effektiv, da die meisten Umgebungslichtquellen in Fabrikhallen – darunter Leuchtstoffröhren, LED-Röhren und natürliches Tageslicht – hauptsächlich im sichtbaren Spektrum strahlen und nur eine relativ geringe NIR-Emission aufweisen. Ein auf die Wellenlänge der NIR-Beleuchtungseinheit abgestimmter Bandpassfilter blockiert das sichtbare Umgebungslicht und lässt gleichzeitig die NIR-Beleuchtung aus der gesteuerten Quelle durch.
Im Blitzmodus wird die Beleuchtungseinheit für einen sehr kurzen Impuls – typischerweise zwischen 10 Mikrosekunden und 2 Millisekunden – mit hoher Spitzenintensität ausgelöst, wobei die Belichtung der Kamera mit dem Blitzimpuls synchronisiert ist. Da das Umgebungslicht über die gesamte Belichtungszeit hinweg wirkt, während die Beleuchtungseinheit ein starkes Signal in Form eines sehr kurzen Impulses liefert, ist das Verhältnis von Blitzsignal zu Umgebungshintergrund bei kurzen Belichtungszeiten sehr hoch.
Ein Gehäuse ist erforderlich, wenn die Reduzierung des Umgebungslichts auf ein akzeptables Maß durch Spektralfilterung und Stroboskopbetrieb nicht ausreicht. Dies ist in der Regel bei Inspektionen im Freien, in Einrichtungen mit großen Oberlichtern in der Nähe der Prüfstation oder bei Anwendungen der Fall, bei denen die Geometrie der Beleuchtungseinheit und der Kamera den Einsatz eines wirksamen Bandpassfilters ausschließt. Gehäuse kommen zudem bei der Inspektion von Arzneimitteln und Lebensmitteln zum Einsatz, wo eine validierte Abschirmung gegen Umgebungslicht eine gesetzliche Vorschrift ist.
Vergleichen Sie Bilder, die bei vollständig abgeschirmten Umgebungslichtquellen aufgenommen wurden, mit Bildern, die unter normalen Umgebungsbedingungen in der Fertigung aufgenommen wurden. Messen Sie die Differenz der Pixelwerte im Prüfbereich zwischen den beiden Bedingungen. Ist die Differenz größer als der für Prüfentscheidungen verwendete Merkmalskontrast, wird das Inspektionssystem durch Schwankungen des Umgebungslichts beeinträchtigt. Führen Sie den Test unter den ungünstigsten Bedingungen durch, einschließlich voller Sommertageslicht und eingeschalteter Werksbeleuchtung.
Kontakte & Informationen
Kontakt für allgemeine Informationen : info@roder.it
Partner für System- und Sensorintegration : www.roder.it
RODER Bildverarbeitungs-Abteilung : www.rodervision.com
RODER Abteilung Messinstrumente : www.innovacheck.com
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