Sphärische Mehrsektor-LED-Kuppel

Industrielle Bildverarbeitungsstation mit sphärischer Mehrsektor-LED-Kuppel, unterteilt in acht unabhängige Sektoren, für photometrisches Stereo und richtungsabhängige Fehlerprüfung

Sektorgesteuerte halbkugelförmige Beleuchtung für richtungsabhängige Prüfungen

4, 8 oder 16 unabhängig angesteuerte Sektoren, montiert an der Innenfläche einer halbkugelförmigen Kuppel.
Der Modus Alle Sektoren ein erzeugt die Standard-Kuppelbeleuchtung („bewölkter Himmel“); der Modus Einzelsektor erzeugt eine gerichtete Beleuchtung.
Radiale Segmente steuern den Azimut; konzentrische Ringe steuern die Elevation; kombinierte Anordnungen ermöglichen eine 2D-Winkelsteuerung.
Ideal für hochwertiges photometrisches Stereo, richtungsabhängige Fehlerklassifizierung sowie die Prüfung von Bearbeitungsspuren und Gewebestrukturen.
Umschaltzeiten von unter 100 μs pro Sektor ermöglichen photometrisches Stereo mit über 100 fps bei 4–8 Sektoren.
3- bis 5-facher Mehrpreis gegenüber Einkanal-Kuppeln — der Mehrwert wird nur durch anwendungsspezifische Algorithmen realisiert.

Sphärische Mehrsektor-Beleuchtungen unterteilen eine halbkugelförmige Kuppel in unabhängig voneinander steuerbare Sektoren und ermöglichen so eine präzise räumliche Steuerung der Einfallsrichtung auf das Zielobjekt. Durch die selektive Aktivierung eines oder mehrerer Sektoren kann die Beleuchtung aus derselben Leuchte beliebige Kombinationen aus gerichteter und omnidirektionaler Beleuchtung erzeugen und unterstützt damit fortschrittliche Inspektionsverfahren wie photometrisches Stereo, richtungsabhängige Fehlerklassifizierung und adaptive Beleuchtungsoptimierung. Die Mehrsektor-Kuppel schließt die Lücke zwischen der standardmäßigen Kuppelbeleuchtung (die symmetrisch ist) und der Direktbeleuchtung (die feststehend ist) und bietet die Flexibilität beider Lösungen in einem einzigen Gerät.

Funktionsprinzip von Mehrsektor-Kuppeln

Eine sphärische Mehrsektor-Beleuchtung besteht aus einer halbkugelförmigen Struktur, an deren Innenfläche mehrere unabhängig voneinander angesteuerte LED-Sektoren angebracht sind. Bei typischen Konfigurationen wird die Halbkugel in 4, 8 oder 16 Sektoren unterteilt, die in konzentrischen Ringen oder in radialen Segmenten angeordnet sind. Jeder Sektor wird von einem eigenständigen LED-Treiber gesteuert, der unabhängig von den anderen Sektoren aktiviert, deaktiviert oder gedimmt werden kann. Anwendungsspezifische Mehrsektor-Kuppelbaugruppen werden im Rahmen des Portfolios „Custom LED-Beleuchtung“ entwickelt.

Wenn alle Sektoren gleichzeitig aktiviert sind, erzeugt die Mehrsektor-Kuppel eine Standard-Beleuchtungsstärke wie an einem bewölkten Tag, die der einer einheitlichen Kuppel entspricht. Wird nur ein Sektor aktiviert, erzeugt die Kuppel eine gerichtete Beleuchtung aus einem bestimmten Azimut- und Elevationswinkel. Durch das nacheinander Abtasten einzelner Sektoren führt das System ein photometrisches Stereo durch, wobei die Winkelgenauigkeit durch die Sektorenauflösung bestimmt wird.

Sektoranordnung und Winkelauflösung

Die Anordnung der Sektoren bestimmt die räumliche Auflösung der Beleuchtungssteuerung. Radiale Anordnungen ermöglichen eine azimutale Richtungssteuerung, die sich für die richtungsabhängige Prüfung von Oberflächenfehlern eignet. Konzentrische Ringanordnungen ermöglichen eine Höhensteuerung, die sich für den Wechsel zwischen Hellfeld und Dunkelfeld an derselben Halterung eignet. Kombinierte radiale und konzentrische Anordnungen ermöglichen eine vollständige zweidimensionale Winkelsteuerung und unterstützen damit die anspruchsvollsten Photometrischen Stereo- und adaptiven Beleuchtungsstrategien.

Typische industrielle Anwendungen

Sphärische Mehrsektor-Beleuchtungen sind unverzichtbar für die hochwertige photometrische Stereo-Inspektion, bei der die Rekonstruktion der Oberflächennormalen eine präzise Winkelsteuerung der Beleuchtung erfordert; für die Qualitätskontrolle komplexer dreidimensionaler Prüfobjekte, bei der die adaptive Beleuchtung auf die spezifische Form jedes einzelnen Teils reagieren muss; für die Inspektion richtungsabhängiger Oberflächenmerkmale wie Bearbeitungsspuren, Webmuster und Kornstrukturen; die Verifizierung von geprägten und gravierten Merkmalen, bei denen die optimale Beleuchtungsrichtung von der Ausrichtung des Merkmals abhängt; die Qualitätskontrolle von polierten und bearbeiteten Oberflächen, bei denen der optimale Winkel für die Sichtbarkeit von Fehlern über die Oberfläche variiert; Forschungs- und Entwicklungsanwendungen, die eine vollständige Kontrolle der Beleuchtungsgeometrie erfordern; sowie jede Anwendung, die die Anforderungen der Kuppelbeleuchtung (schattenfreie Bildgebung) mit den Anforderungen der Direktbeleuchtung (Merkmalshervorhebung) verbindet.

Auswahlkriterien und Konstruktionsüberlegungen

Die Anzahl der Sektoren ist das wichtigste Spezifikationsmerkmal. Eine größere Anzahl von Sektoren ermöglicht eine feinere Winkelauflösung, erfordert jedoch mehr LED-Treiber und eine komplexere Steuerelektronik, was entsprechende Auswirkungen auf die Kosten hat. Typische industrielle Mehrsektor-Kuppeln verwenden 4 bis 16 Sektoren, was den praktischen Kompromiss zwischen Flexibilität und Kosten darstellt.

Die Schaltgeschwindigkeit der Sektortreiber bestimmt die maximale Erfassungsrate für die sequenzielle Mehrsektor-Bildgebung. Steuerungen in Industriequalität unterstützen Schaltzeiten von unter 100 Mikrosekunden pro Sektor, was bei Verwendung von vier bis acht Sektoren photometrisches Stereo bei Bildraten von über 100 fps ermöglicht. Mehrkanal-Sektortreiber sind Bestandteil des RODER-Katalogs für LED-Treiber und elektronische Steuerungen.

Überlegungen zur Kalibrierung und zu den Algorithmen

Bei Mehrsektor-Kuppelsystemen müssen die Winkelposition und die Intensität jedes Sektors relativ zur Kamera kalibriert werden. Zur Kalibrierung wird unter jedem Sektor einzeln ein Referenzziel abgebildet, wobei die daraus resultierenden Parameter im Bildverarbeitungscontroller gespeichert werden. Die Kalibrierung muss in regelmäßigen Abständen aktualisiert werden, um die Alterung der LEDs und etwaige mechanische Abweichungen in der Kuppelgeometrie auszugleichen.

Die Bildverarbeitung nutzt die Mehrsektor-Fähigkeit durch Verfahren wie photometrisches Stereo, richtungsabhängige Fehlerklassifizierung und adaptive Beleuchtungsoptimierung. Jedes dieser Verfahren erfordert eine spezifische, auf die jeweilige Anwendung zugeschnittene Softwareentwicklung, und der Nutzen der Mehrsektor-Kuppel kommt in erster Linie durch die algorithmische Nutzung ihrer Fähigkeiten zum Tragen.

Integration und Grenzen

Sphärische Mehrsektor-Beleuchtungen lassen sich als eigenständige Leuchten mit Mehrkanal-LED-Treibern integrieren, die in der Regel über eine einzige digitale Schnittstelle zur Bildverarbeitungssteuerung angesteuert werden. Die Abmessungen entsprechen in etwa denen von Standard-Kuppelbeleuchtungseinheiten mit gleicher aktiver Fläche, wobei die Tiefe durch die Mehrkanal-Treiberelektronik erhöht ist.

Die größte Einschränkung von Mehrsektor-Kuppeln sind die Kosten, die mit der Anzahl der Sektoren und der Komplexität der Steuerelektronik steigen. Eine Kuppel mit 16 Sektoren kann drei- bis fünfmal so viel kosten wie eine vergleichbare Einkanal-Kuppel, was ihren Einsatz auf Anwendungen beschränkt, die die Mehrsektor-Fähigkeit tatsächlich erfordern.

Die zweite Einschränkung besteht in der algorithmischen Komplexität, die zur Nutzung der Mehrsektor-Fähigkeit erforderlich ist. Ohne ausgefeilte Software für die Bildverarbeitung funktioniert eine Mehrsektor-Kuppel wie eine Standardkuppel und bietet im Vergleich zu einem einkanaligen Äquivalent keinen zusätzlichen Nutzen. Investitionen in die Algorithmus- und Softwareentwicklung sind unerlässlich, um die Kosten für die Mehrsektor-Leuchte zu rechtfertigen.