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Emissionsspektrum und Wellenlänge

Industrielle Bildverarbeitungsstation zur Veranschaulichung der LED-Emissionsspektren: UV, sichtbares Weiß und monochromatische Farben, NIR- und SWIR-Bänder für die Inspektion mit Bildverarbeitung

Die richtige Wellenlänge und spektrale Konfiguration für die industrielle Bildverarbeitung wählen

  • Die Wahl der Wellenlänge erzeugt Kontrast, indem sie die spektrale Reflexion und Absorption jedes Materials in der Szene ausnutzt.
  • Weißlicht dient der farbkritischen Inspektion; monochromatisches Licht maximiert den Kontrast auf farbigen Merkmalen durch komplementäre Farbwahl im Farbkreis.
  • Nahinfrarot (850/940 nm) durchdringt Kunststoffe und unterdrückt Umgebungslicht durch Bandpassfilterung an der Kamera.
  • Ultraviolett (365/395 nm) regt die Fluoreszenz von Klebstoffen, Sicherheitsmarkierungen und Oberflächenverunreinigungen an.
  • SWIR (900–1700 nm) durchdringt Silizium und dunkle Kunststoffe; erfordert InGaAs-Sensoren.
  • Multispektrale und RGB-umschaltbare Konfigurationen ermöglichen die Anpassung der Wellenlänge im laufenden Betrieb und die Unterscheidung von Materialien.

Der spektrale Gehalt einer Bildverarbeitungsbeleuchtung wirkt mit der spektralen Reflexion und Absorption jedes Materials in der Szene zusammen und erzeugt so Kontraste, die unter Breitbandbeleuchtung unsichtbar blieben. Die Wahl der richtigen Wellenlänge – schmalbandig oder breitbandig, monochromatisch oder multispektral – ist daher eines der wirkungsvollsten Werkzeuge des Bildverarbeitungsingenieurs. Die Wellenlänge beeinflusst außerdem die Schärfentiefe, die chromatische Aberration des Objektivs, die Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungslicht und das Ansprechverhalten des Kamerasensors im sichtbaren, nahinfraroten und ultravioletten Bereich.

Die Wellenlänge als Werkzeug der Kontrastgestaltung

Materialien reflektieren und absorbieren Licht je nach Wellenlänge unterschiedlich. Ein Pigment, das dem menschlichen Auge grün erscheint, absorbiert stark im roten und blauen Bereich und reflektiert im grünen; dasselbe Pigment erscheint unter roter Beleuchtung dunkel und unter grüner Beleuchtung hell. Diese wellenlängenabhängige Reflexion erlaubt es dem Bildverarbeitungsingenieur, Kontrast zwischen ähnlich gefärbten Merkmalen zu erzeugen, die unter Weißlicht nicht unterscheidbar wären.

Das Prinzip reicht weit über den sichtbaren Bereich hinaus. Viele Kunststoffe, die im sichtbaren Spektrum undurchsichtig erscheinen, werden unter Nahinfrarotbeleuchtung transparent und ermöglichen die Prüfung innenliegender Merkmale. Viele Klebstoffe, die im sichtbaren Licht farblos erscheinen, fluoreszieren unter UV-Anregung intensiv und machen so Klebe- und Dichtungsfehler erkennbar. Die Wahl der Wellenlänge erweitert somit den Raum, in dem ein Bildverarbeitungssystem arbeitet, und bietet Freiheitsgrade, die kein anderer Beleuchtungsparameter erreicht.

In diesem Abschnitt behandelte spektrale Konfigurationen

Weißlicht

Weiße LED-Beleuchtung liefert eine breitbandige sichtbare Emission, die sich für Farbinspektion, allgemeine Bildaufnahme und Anwendungen eignet, die eine natürliche Farbwiedergabe des Prüfobjekts erfordern. Weiße LEDs sind in verschiedenen Farbtemperaturen (kalt, neutral, warm) passend zur jeweiligen Anwendung erhältlich. Standard-Weißlicht ist in den kompletten Programmen LED-Ringbeleuchtungen, LED-Balkenbeleuchtungen und LED-Flächenbeleuchtungen verfügbar.

Monochromatisches farbiges Licht

Monochromatische LED-Beleuchtung in Rot, Grün, Blau oder Bernstein erzeugt selektiven Kontrast, indem sie die spektrale Reflexion farbiger Objekte ausnutzt. Eine monochromatische Beleuchtung mit der richtigen Wellenlänge kann auf farbigen Merkmalen Kontraste erzeugen, die mit Weißlicht nicht zu erreichen sind.

Infrarotbeleuchtung (IR)

Nahinfrarot-LED-Beleuchtung bei 850 nm und 940 nm durchdringt viele Kunststoffe, reduziert durch schmalbandige Filterung den Einfluss von sichtbarem Umgebungslicht und liefert eine gleichbleibende Abbildung farbiger Objekte, die unter sichtbarem Licht unterschiedlich erscheinen würden.

Ultraviolettbeleuchtung (UV)

Ultraviolette LED-Beleuchtung bei 365 nm und 395 nm regt die Fluoreszenz von Klebstoffen, Sicherheitsmarkierungen, Oberflächenbeschichtungen und Verunreinigungen an und ermöglicht die Prüfung von Merkmalen, die unter Standardbeleuchtung für das menschliche Auge unsichtbar sind. UV-spezifische Geometrien werden in der Regel im Rahmen des Programms Kundenspezifische LED-Beleuchtungen entwickelt.

Kurzwelliges Infrarot (SWIR)

Kurzwellige Infrarotbeleuchtung zwischen etwa 900 nm und 1700 nm ermöglicht die Prüfung durch Materialien hindurch, die für sichtbares Licht undurchsichtig sind, darunter Silizium-Wafer, dunkle Kunststoffe und verpackte Produkte mit nicht transparenten Außenschichten.

Multispektrales und hyperspektrales Licht

Multispektrale Beleuchtungen vereinen mehrere diskrete Wellenlängen in einer Leuchte und ermöglichen die sequentielle oder gleichzeitige Bildaufnahme in verschiedenen Bändern zur Materialunterscheidung, Fehlercharakterisierung und physikalisch-chemischen Analyse.

RGB-umschaltbare Beleuchtung

RGB-umschaltbare Beleuchtungen integrieren unabhängig angesteuerte rote, grüne und blaue LEDs in derselben Leuchte, sodass die Prüfwellenlänge im laufenden Betrieb dynamisch gewählt werden kann, um den Kontrast auf unterschiedlichen Objekten zu optimieren.

Sensorempfindlichkeit und Wellenlängenwahl

Bei der Wahl der Wellenlänge muss stets die spektrale Empfindlichkeit des Kamerasensors berücksichtigt werden. CMOS- und CCD-Sensoren erreichen ihr Maximum typischerweise bei 500 bis 600 nm im sichtbaren Bereich und fallen oberhalb von 900 nm stark ab. Der Einsatz von Nahinfrarotbeleuchtung über 900 nm erfordert daher eine sorgfältige Berücksichtigung der Sensorempfindlichkeit und der Belichtungszeit. Spezialisierte Sensoren (NIR-verstärktes Silizium, InGaAs für SWIR, UV-verstärkt für unter 400 nm) erweitern den nutzbaren Spektralbereich, allerdings zu höheren Kosten.

Auch das Objektiv muss berücksichtigt werden. Standardobjektive für die Bildverarbeitung sind für das sichtbare Spektrum korrigiert und können außerhalb dieses Bereichs erhebliche chromatische Aberrationen aufweisen. Für leistungsfähige NIR-Anwendungen sind auf den Bereich 400–1000 nm optimierte VIS-NIR-Objektive erforderlich. Für Beleuchtung unter 400 nm, wo Standardglasobjektive absorbierend werden, sind Objektive aus UV-tauglichem Quarz oder Quarzglas erforderlich.

Kombination der Wellenlänge mit anderen Parametern

Die Wellenlänge wirkt mit allen anderen Beleuchtungsparametern zusammen: Geometrie, Diffusion, Einfallswinkel und Betriebsart. Monochromatisches Licht lässt sich leichter kollimieren als Weißlicht, da in der Kollimationsoptik keine chromatische Dispersion auftritt. Schmalbandige Beleuchtung in Verbindung mit Bandpassfiltern an der Kamera sorgt für eine wirksame Unterdrückung des Umgebungslichts – unverzichtbar für Installationen in Fensternähe oder unter wechselnder Hallenbeleuchtung. Gepulste monochromatische Beleuchtung mit hoher Leistungsdichte liefert den für die Hochgeschwindigkeitsprüfung erforderlichen Photonenfluss.

Die Detailseiten dieses Abschnitts behandeln jede spektrale Konfiguration im Einzelnen, einschließlich der Wechselwirkung mit Materialien, der Sensorkompatibilität, der Filteranforderungen und typischer industrieller Anwendungsfälle, die die besonderen Eigenschaften des jeweiligen Wellenlängenbereichs nutzen.

Spektrale LED-Beleuchtungen von RODER Vision

RODER Vision fertigt LED-Beleuchtungen über den gesamten industriellen Spektralbereich, mit Standardvarianten in Weiß, monochromatisch und Nahinfrarot im gesamten Geometrieprogramm sowie anwendungsspezifischen UV-, SWIR- und multispektralen Konfigurationen, die auf Anfrage entwickelt werden.

Für die multispektrale und gepulste Inspektion mit Wellenlängenumschaltung umfasst der RODER-Katalog dedizierte LED-Treiber und elektronische Steuerungen mit unabhängiger Kanalsteuerung, kompatibel mit industriellen Bildverarbeitungscontrollern und SPS.