Die Barcode-Lesung und Datamatrix-Lesung auf bewegten Teilen gehört zu den schwierigsten Beleuchtungsaufgaben in der industriellen Bildverarbeitung. Das Hauptproblem ist die Bewegungsunschärfe: Wenn sich ein Barcode während der Kamerabelichtung bewegt, verschmiert das Bild seiner Striche und Lücken in Bewegungsrichtung. Dieses Verschmieren reduziert den Kantenkontrast zwischen Strichen und Lücken. Unterhalb eines kritischen Kontrastniveaus kann der Barcode-Decoder das Symbol nicht mehr lesen; das Ergebnis ist eine Fehllesung, die die Produktion stoppt oder ein manuelles Eingreifen erzwingt.
Die Lösung besteht darin, die Bewegung optisch und nicht mechanisch einzufrieren. Das Verkürzen der Kamerabelichtungszeit bis zu dem Punkt, an dem sich der Barcode während der Belichtung um weniger als einen kleinen Bruchteil einer Strichbreite bewegt, beseitigt die sichtbare Bewegungsunschärfe. Für einen Barcode, der sich mit typischer Förderbandgeschwindigkeit und typischen Strichbreiten bewegt, erfordert dies Belichtungszeiten von 50 bis 500 Mikrosekunden. Bei diesen kurzen Belichtungszeiten muss die Beleuchtung dem Sensor in der verfügbaren Zeit ausreichend Photonen zuführen. Standard-Beleuchtungen im Dauerbetrieb können für solch kurze Belichtungszeiten keine ausreichende Intensität liefern. Gepulste Stroboskopbeleuchtung ist die ingenieurtechnische Antwort.
Die Physik der Bewegungsunschärfe beim Barcode-Lesen
Die Bewegungsunschärfe ist direkt proportional zum Produkt aus Objektgeschwindigkeit und Belichtungsdauer. Ein Barcode, der sich mit 1 m/s bei einer Belichtungszeit von 1 ms bewegt, legt während der Belichtung 1 mm zurück. Wenn die schmalste Strichbreite im Symbol 0,5 mm beträgt, hat sich der Barcode während der Belichtung um zwei Strichbreiten verschoben. Dies erzeugt eine schwere Verschmierung und einen garantierten Lesefehler.
Die zulässige Unschärfegrenze für die Barcode-Lesung wird üblicherweise als Bruchteil der minimalen Strichbreite definiert, bekannt als X-Dimension. ISO-Barcode-Qualitätsstandards legen Anforderungen an den Strichkantenkontrast fest, die ein Symbol für eine bestimmte Qualitätsstufe erfüllen muss. Die Bewegungsunschärfe reduziert den Strichkantenkontrast im Verhältnis von Unschärfestrecke zu Strichbreite. Für eine zuverlässige Lesung muss die Bewegungsunschärfe unter 10 % bis 20 % der X-Dimension bleiben.
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Berechnung der erforderlichen Belichtungszeit
Die erforderliche Belichtungszeit ergibt sich aus der Objektgeschwindigkeit, der Barcode-X-Dimension und dem zulässigen Unschärfeanteil. Für einen Barcode mit einer X-Dimension von 0,33 mm, der sich mit 0,5 m/s bewegt, beträgt die zulässige Unschärfe 0,033 bis 0,066 mm (10–20 % der X-Dimension). Die erforderliche Belichtungszeit beträgt 0,033 mm geteilt durch 500 mm/s, was maximal 66 Mikrosekunden entspricht. Für einen Barcode auf einem Hochgeschwindigkeitsförderband, das mit 2 m/s bei derselben X-Dimension läuft, sinkt die erforderliche Belichtungszeit auf 16 Mikrosekunden.
Diese Belichtungszeiten liegen voll im Bereich moderner Kameras für die industrielle Bildverarbeitung mit Global-Shutter-Sensoren. Die Herausforderung liegt vollkommen auf der Beleuchtungsseite: Um ausreichend Licht für eine korrekte Belichtung in 16 bis 66 Mikrosekunden bereitzustellen, sind Beleuchtungsintensitäten erforderlich, die um ein bis zwei Größenordnungen höher liegen als das, was Standard-LED-Beleuchtungen im Dauerbetrieb liefern.
Stroboskopbeleuchtung: Wie Spitzenintensität kurze Belichtungszeiten ausgleicht
LED-Beleuchtungen können in zwei grundlegend verschiedenen Betriebsarten betrieben werden: Dauerbetrieb und Stroboskopbetrieb. Im Dauerbetrieb werden die LEDs mit einem konstanten Strom angesteuert, und die Beleuchtung erzeugt eine stabile, konstante Lichtleistung. Der maximale Dauerstrom wird durch die thermische Kapazität der Beleuchtung und ihres Kühlkörpers begrenzt. Wird dieser Strom überschritten, steigt die Sperrschichttemperatur der LED auf Werte, die die LED-Leistung dauerhaft beeinträchtigen.
Im Stroboskopbetrieb werden die LEDs für einen sehr kurzen Impuls mit einem deutlich höheren Spitzenstrom angesteuert und dann ausgeschaltet, sodass die Sperrschicht vor dem nächsten Impuls abkühlen kann. Die optische Spitzenleistung während des Impulses skaliert mit dem Spitzenansteuerstrom und kann ein Vielfaches der Leistung im Dauerbetrieb erreichen. Das Tastverhältnis — der Zeitanteil, in dem die Beleuchtung eingeschaltet ist — bestimmt die in den LEDs dissipierte mittlere Leistung. Bei einem niedrigen Tastverhältnis von 1 % bis 5 % kann der Spitzenstrom das 10- bis 50-fache des Dauerstroms betragen, ohne die mittlere thermische Spezifikation zu überschreiten.
Impulsdauer und Synchronisation
Der Stroboskopimpuls muss mit der Kamerabelichtung synchronisiert sein. Der Standardansatz nutzt den Triggerausgang der Kamera, um den Stroboskopimpuls auszulösen, wobei die Impulsdauer so eingestellt wird, dass sie der Kamerabelichtungszeit entspricht. Die Beleuchtung muss schnell auf das Triggersignal reagieren: Die Anstiegszeit vom Triggereingang bis zur vollen optischen Leistung muss kürzer sein als die Belichtungszeit. Für Belichtungszeiten von 50 Mikrosekunden muss die Anstiegszeit unter einigen Mikrosekunden liegen.
Die Beleuchtungen der Serien DL5 und DL6 von RODER Vision sind für den Stroboskopbetrieb mit sehr kurzen Impulsdauern ausgelegt. Die elektronischen Treiberschaltungen erreichen Anstiegszeiten von unter 2 Mikrosekunden bis zur vollen Spitzenleistung. Der Stroboskop-Triggereingang verarbeitet sowohl 5-V- als auch 24-V-Logiksignale und lässt sich direkt an die Ausgangsformate standardmäßiger Kameras für die industrielle Bildverarbeitung und Framegrabber anschließen.
Beleuchtungsgeometrie für die Barcode-Lesung auf bewegten Teilen
Die Geometrie der Beleuchtung beeinflusst die Barcode-Lesbarkeit über die reine Intensität hinaus in vielerlei Hinsicht. Der Einfallswinkel, die Gleichmäßigkeit über die Barcode-Fläche und das Verhältnis zwischen Beleuchtungsrichtung und Barcode-Ausrichtung beeinflussen alle die Qualität des decodierten Bildes.
Direktbeleuchtung für flache Barcodes auf matten Oberflächen
Für Barcodes, die auf matten oder satinierten Oberflächen wie Papieretiketten, Kartons und unbeschichteten Kunststoffen gedruckt sind, bietet die direkte Frontbeleuchtung durch eine LED-Matrixbeleuchtung oder Ringbeleuchtung die höchste Intensität und den besten Kontrast. Der Einfallswinkel sollte 30° bis 60° zur Kameraachse betragen, um die direkte Reflexion zu vermeiden, die bei senkrechtem Einfall auf leicht reflektierenden Oberflächen auftritt. Eine auf die Kameraachse zentrierte Ringbeleuchtung bietet eine omnidirektionale Frontbeleuchtung, die unabhängig von der Barcode-Ausrichtung auf dem Etikett ist.
Diffuse Beleuchtung für glänzende und reflektierende Oberflächen
Barcodes auf Glanzetiketten, metallisierten Substraten und schrumpfverpackten Produkten benötigen diffuse Beleuchtung, um direkte Reflexionspunkte (Hotspots) zu vermeiden, die den Sensor sättigen und die Barcode-Striche verdecken. Eine Flachdom-Beleuchtung bietet diffuse Beleuchtung aus einem großen Raumwinkel, wobei der Barcode durch die Öffnung im Dom abgebildet wird. Die diffuse Geometrie beseitigt spiegelnde Reflexionen und erzeugt selbst auf hochreflektierenden Substraten ein gleichmäßiges, lesbares Bild des Barcodes.
Der Kompromiss bei diffuser Beleuchtung liegt in der Intensität: Flachdom-Beleuchtungen verteilen ihre optische Leistung über einen großen Raumwinkel, was zu einer geringeren Intensität an der Produktoberfläche führt als bei einer Direktbeleuchtung gleicher elektrischer Leistung. Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen auf reflektierenden Oberflächen ist eine Kombination aus moderater diffuser Beleuchtung für den Kontrast und einem sehr kurzen Stroboskopimpuls zum Einfrieren der Bewegung erforderlich.
Balkenausrichtung und Beleuchtungsrichtung
Bei linearen Barcodes bestimmt die Beleuchtungsrichtung relativ zur Strichausrichtung den Kantenkontrast im Bild. Eine Beleuchtung parallel zu den Strichen (senkrecht zur Scanrichtung) erzeugt den maximalen Kantenkontrast an den Strichgrenzen. Eine Beleuchtung senkrecht zu den Strichen (entlang der Scanrichtung) minimiert diesen Kantenkontrast. In der Praxis ist die Barcode-Ausrichtung auf dem Produkt meist fixiert, und die Beleuchtungsgeometrie wird entsprechend ausgelegt. Bei variabler Barcode-Ausrichtung wird eine Ringbeleuchtung oder eine diffuse Quelle bevorzugt, da beide unabhängig von der Barcode-Ausrichtung sind.
Datamatrix- und 2D-Codes: Zusätzliche Überlegungen zur Beleuchtung
Datamatrix-Codes, QR-Codes und andere 2D-Symbologien werden in der industriellen Rückverfolgbarkeit immer häufiger eingesetzt, da sie mehr Informationen pro Flächeneinheit als lineare Barcodes aufnehmen und selbst bei partieller Beschädigung gelesen werden können. Die Zellengröße eines Datamatrix-Codes, der mit typischen industriellen Dichten gedruckt wird, reicht von 0,25 mm bis 1 mm pro Zelle. Die Beleuchtungsanforderungen entsprechen hinsichtlich Intensität und Bewegungseinfrieren den linearen Barcodes, jedoch stellt die 2D-Struktur des Codes zusätzliche Anforderungen.
Datamatrix-Codes werden häufig direkt durch Nadelprägen (Dot-Peen), Lasergravur oder chemisches Ätzen auf die Teiloberfläche aufgebracht, anstatt auf ein Etikett gedruckt zu werden. Diese Verfahren der direkten Teilemarkierung (DPM, Direct Part Marking) erzeugen Codes, die unter Beleuchtungsbedingungen gelesen werden müssen, die sich stark von denen für gedruckte Barcodes unterscheiden. Nadelgeprägte Codes auf Metalloberflächen benötigen eine gerichtete Beleuchtung unter einem spezifischen Winkel, um einen Kontrast zwischen den geprägten Punkten und der umgebenden flachen Oberfläche aufzubauen. Flachwinkel-Ringbeleuchtung oder koaxiale Beleuchtung sind die am häufigsten eingesetzten Techniken für die Datamatrix-Lesung bei DPM-Barcodes.
Praktische Leitlinien für die Stroboskopbeleuchtung in Barcode-Lesesystemen
Die Auslegung eines Stroboskop-Beleuchtungssystems für die Barcode-Lesung bedeutet das Abstimmen mehrerer Parameter: Belichtungszeit, Spitzenintensität, Arbeitsabstand der Beleuchtung, Sichtfeld und Trigger-Schnittstelle.
Die Belichtungszeit wird zuerst auf der Grundlage der Liniengeschwindigkeit und der obigen Berechnung der Barcode-X-Dimension festgelegt. Die erforderliche Oberflächenbestrahlungsstärke wird aus der Belichtungszeit, der Empfindlichkeit des Kamerasensors, der Blendenzahl des Objektivs und dem Zielgrauwert in den weißen Lücken des Barcodes berechnet. Die Beleuchtung wird dann so gewählt, dass sie diese Bestrahlungsstärke beim geforderten Arbeitsabstand und der Sichtfeldgröße liefert. Produktdatenblätter von RODER Vision geben Spitzenbestrahlungsstärkewerte im Stroboskopmodus bei definierten Arbeitsabständen an, sodass der Systementwickler vor der Integration prüfen kann, ob die erforderliche Bestrahlungsstärke erreichbar ist.
Produkte und Technologien
RODER Vision Beleuchtungsfamilien für das Barcode-Lesen
Die folgenden Produktfamilien von RODER Vision sind speziell für die Hochgeschwindigkeits-Barcode-Lesung und Datamatrix-Lesung ausgelegt, die eine Stroboskopbeleuchtung erfordert.
DL5 – Hochintensitäts-LED-Matrix
Maximale Spitzenintensität im Stroboskopmodus. Gebaut für die Hochgeschwindigkeits-Barcode-Lesung mit Belichtungszeiten bis hinab zu 10 Mikrosekunden. Schnelle Anstiegszeit. Mehrere Wellenlängen einschließlich Rot und Weiß.
DL6 – LED-Matrix mit hoher Packungsdichte
Hochdichte Matrix mit thermischer Stabilität HTTM. Stroboskopkompatibel für Barcode-Lesung und Datamatrix-Lesung. Große Bauformen für Anwendungen an Förderbändern mit breitem Sichtfeld.
DC6 — LED-Ringbeleuchtung mit hoher Dichte
Ringbeleuchtung für die Barcode-Lesung auf Etiketten beliebiger Ausrichtung. Mehrere Wellenlängen. Stroboskopkompatibel. Flachwinkel-Option für die DPM-Nadelpräge-Barcode-Lesung auf Metallteilen.
FD2 – Flat Dome LED-Beleuchtungseinheiten
Diffuse Dombeleuchtung für die Barcode-Lesung auf glänzenden, metallisierten und schrumpfverpackten Etiketten. Beseitigt direkte Reflexionspunkte. Stroboskopkompatibel für Anwendungen zum Bewegungseinfrieren.
Häufig gestellte Fragen
Bewegungsunschärfe entsteht, wenn sich ein Barcode während der Kamerabelichtung bewegt, wodurch die Striche und Lücken in Bewegungsrichtung verschmieren und der Kantenkontrast unter den Schwellenwert des Decoders fällt. Sie wird durch Verkürzen der Belichtungszeit beseitigt, sodass sich der Barcode während der Belichtung um weniger als 10–20 % einer Strichbreite bewegt. Die kürzere Belichtung erfordert eine proportional höhere Beleuchtungsintensität, die von LED-Stroboskopbeleuchtungen geliefert wird.
Teilen Sie die zulässige Unschärfestrecke durch die Objektgeschwindigkeit. Die zulässige Unschärfe beträgt typischerweise 10–20 % der Barcode-X-Dimension (minimale Strichbreite). Für einen Barcode mit 0,33 mm X-Dimension, der sich mit 1 m/s bewegt, beträgt die maximale Belichtungszeit 0,033–0,066 mm geteilt durch 1000 mm/s, was 33 bis 66 Mikrosekunden entspricht. Bei höheren Liniengeschwindigkeiten sinkt die erforderliche Belichtungszeit proportional.
Die Stroboskopbeleuchtung steuert LEDs bei sehr kurzen Impulsen mit Spitzenströmen an, die 10- bis 50-mal höher sind als der Nennwert im Dauerbetrieb. Dadurch werden optische Spitzenintensitäten erzeugt, die weit über das hinausgehen, was dauerhafte Beleuchtungen aufrechterhalten können. Der kurze Impuls in Kombination mit der hohen Spitzenintensität ermöglicht sehr kurze Kamerabelichtungszeiten, die die Bewegung einfrieren und dennoch ausreichend Licht für eine korrekte Sensorbelichtung liefern.
Datamatrix-Codes bei der direkten Teilemarkierung (DPM) auf Metalloberflächen benötigen eine gerichtete Beleuchtung, um einen Kontrast zwischen den geprägten Punkten und der umgebenden flachen Oberfläche aufzubauen. Ringbeleuchtung unter flachem Winkel oder koaxiale Beleuchtung sind die Standardtechniken. Der optimale Winkel hängt von der Prägetiefe und der Oberflächenrauheit des Teils ab, sodass meist Tests mit verschiedenen Winkeln erforderlich sind, um den Kontrast für die jeweilige Markierung und das Substrat zu optimieren.
Ja, in vielen Anwendungen. Eine hochintensive Stroboskopbeleuchtung, die für die Barcode-Lesung mit kurzer Belichtungszeit getriggert wird, kann in derselben Kamerastation auch mit geringerer Intensität oder längerer Belichtung für die Etikettendruckprüfung und Anwesenheitskontrolle betrieben werden. Die Beleuchtung wird für jede Aufgabe unterschiedlich getriggert, und das Bildverarbeitungssystem verarbeitet die zwei Bildtypen mit separaten Algorithmen, was die Anzahl der benötigten Beleuchtungen und Kamerastationen reduziert.
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
Mehr Informationen über RODER VISION : about us
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