Die Bahninspektion umfasst ein breites Spektrum industrieller Aufgaben der Qualitätskontrolle, bei denen ein kontinuierlich bewegtes Material — Folie, Papier, Metallfolie, Gewebe, Vliesstoff, beschichtetes Substrat oder bedruckte Bahn — bei voller Produktionsgeschwindigkeit geprüft wird. Ziel ist es, Oberflächenfehler, Druckfehler, Beschichtungsschwankungen und Kontaminationen zu erkennen, bevor das Material aufgewickelt oder zu einem Endprodukt weiterverarbeitet wird. Das Erfassen von Fehlern in-line vermeidet die Kosten für die Verarbeitung fehlerhaften Materials in nachgelagerten Prozessen und verhindert, dass mangelhafte Produkte zum Kunden gelangen.
Zeilenscan-Kameras sind die Standardlösung zur Bilderfassung in der Bahninspektion. Eine Zeilenscan-Kamera erfasst pro Belichtungszyklus eine Zeile der Bahn und baut so ein zweidimensionales Bild der Bahnoberfläche auf, während das Material an der Kamera vorbeiläuft. Die Beleuchtung für Zeilenscan-Kameras muss eine hohe, gleichmäßige Intensität über die gesamte Bahnbreite in einer schmalen Linie liefern, die präzise auf das Sichtfeld der Kamera ausgerichtet ist. LED-Linienbeleuchtungen sind hier die bevorzugte Lichtquelle. Sie bieten eine hohe Intensität in einem schmalen Strahl, eine stabile Lichtleistung über lange Dauerbetriebszyklen und eine präzise Steuerung der Beleuchtungsgeometrie.
Anforderungen an die Zeilenkamera-Beleuchtung
Zeilenscan-Kameras arbeiten in Hochgeschwindigkeitsanwendungen mit Zeilenraten von einigen Kilohertz bis über 100 kHz. Jede Zeilenbelichtung ist dementsprechend kurz: Bei einer Zeilenrate von 50 kHz wird jede Zeile 20 Mikrosekunden lang belichtet, bei 100 kHz für 10 Mikrosekunden. Die Beleuchtung muss dem Sensor während dieser kurzen Belichtungszeit genügend Photonen zuführen, um den Ziel-Grauwert im Bild zu erreichen.
Für eine Bahn, die sich mit 300 m/min (5 m/s) bei einer Kameraauflösung von 0,1 mm pro Pixel bewegt, beträgt die erforderliche Zeilenrate zur Vermeidung von Pixelverzerrungen in Bahnrichtung 50.000 Zeilen pro Sekunde. Die Belichtung von 20 Mikrosekunden bei dieser Zeilenrate komprimiert die verfügbare Integrationszeit auf einen sehr kleinen Bruchteil einer Millisekunde. Die erforderliche Beleuchtungsintensität zum Erreichen adäquater Grauwerte bei diesen kurzen Belichtungszeiten ist sehr hoch. Für die Bahninspektion konzipierte Linienbeleuchtungen müssen diese Intensität gleichmäßig über die gesamte Bahnbreite liefern, die von 200 mm bis über 3000 mm reichen kann.
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Linienlicht-Geometrie für die Bahninspektion
Die Beleuchtungsgeometrie der Linienbeleuchtung im Verhältnis zur Bahnoberfläche und zur Kamera entscheidet darüber, welche Fehlertypen erkennbar sind und welche Oberflächenmerkmale Kontrast im Bild erzeugen. Die drei grundlegenden Beleuchtungsgeometrien in der Bahninspektion sind die Hellfeldbeleuchtung, die Dunkelfeldbeleuchtung und die Durchlichtbeleuchtung.
Hellfeld-Beleuchtung
Bei der Hellfeldbeleuchtung wird die Linienbeleuchtung so platziert, dass ihr gerichteter Reflexionswinkel innerhalb des Akzeptanzkegels des Kamera-Objektivs liegt. Die Kamera erfasst die gerichtete Reflexion der Beleuchtung von der Bahnoberfläche. Diese Geometrie erzeugt hochintensive Bilder von glatten, reflektierenden Oberflächen. Fehler, die die gerichtete Reflexion unterbrechen oder stören — Kratzer, Vertiefungen, Einschlüsse, Fehlstellen in der Beschichtung — erscheinen als dunkle Merkmale vor hellem Hintergrund. Die Hellfeldbeleuchtung ist die bevorzugte Geometrie zur Inspektion glatter, reflektierender Bahnen wie Metallfolien, glänzend beschichtetem Papier und kalandrierten Folien.
Dunkelfeld Beleuchtungsstärke
Bei der Dunkelfeldbeleuchtung befindet sich die Linienbeleuchtung in einem flachen Winkel zur Bahnoberfläche, außerhalb des gerichteten Reflexionswinkels der Kamera. Der Hintergrund der Bahn erscheint im Bild dunkel, da die gerichtete Reflexion nicht in die Kamera gelangt. Lichtstreuende Fehler — Oberflächenkontaminationen, aufgerichtete Fasern, Beschichtungsstörstellen, Prägemerkmale — erscheinen hell vor dunklem Hintergrund. Die Dunkelfeldbeleuchtung bietet einen sehr hohen Kontrast für Oberflächenrelief-Fehler, die bei der Hellfeldinspektion unsichtbar bleiben.
Der Beleuchtungswinkel für die Dunkelfeld-Bahninspektion liegt typischerweise bei 5° bis 20° zur Bahnebene. Bei diesen flachen Winkeln ist der Beleuchtungspfad über die Bahnbreite weit länger als der senkrecht zur Bahn gemessene Arbeitsabstand. Für eine 1000 mm breite Bahn, die mit 10° zur Oberfläche bei einem senkrechten Arbeitsabstand von 200 mm beleuchtet wird, beträgt die Länge des Beleuchtungspfads über die Bahn etwa 1150 mm. Die Linienbeleuchtung muss über diese erweiterte Pfadlänge eine gleichmäßige Intensität aufrechterhalten.
Durchlichtbeleuchtung für transparente und transluzente Bahnen
Für transparente und transluzente Bahnen wie Transparenzfolien, dünnes Papier, Gewebe und Vliesstoffe bietet die Durchlichtbeleuchtung durch die Bahn den besten Kontrast für Dickenschwankungen, Einschlüsse, Löcher und Kontaminationen. Die Linienbeleuchtung befindet sich unterhalb der Bahn und die Kamera oberhalb. Die Intensität des durchgelassenen Lichts variiert mit der lokalen Bahndicke und Opazität, sodass sich Dickenschwankungen und Einschlüsse als Helligkeitsmodulationen im Bild darstellen.
Spezifikationen für die Lichtgleichmäßigkeit von Bahninspektionslinienleuchten
Die Gleichmäßigkeit ist die kritischste optische Spezifikation für Linienbeleuchtungen in der Bahninspektion. Jede Abweichung der Beleuchtungsintensität entlang der Länge der Linienbeleuchtung zeigt sich als entsprechende Variation des Grauwerts im Kamerabild über die Bahnbreite. Diese scheinbare Grauwertvariation kann reale Fehler verdecken oder Fehlmeldungen über das Bahnprofil auslösen.
Die Anforderung an die Gleichmäßigkeit von Linienbeleuchtungen für die Bahninspektion wird üblicherweise als Verhältnis der minimalen zur maximalen Intensität angegeben, gemessen über die Arbeitslänge im definierten Arbeitsabstand. Für anspruchsvolle Bahninspektionen ist eine Gleichmäßigkeit von 90 % oder besser über die gesamte Bahnbreite erforderlich. Linienbeleuchtungen von RODER Vision erreichen diese Gleichmäßigkeitswerte durch eine aufeinander abgestimmte LED-Auswahl, präzises optisches Design und kontrollierte Montageprozesse, die die Lichtleistung über die gesamte Beleuchtungslänge konstant halten.
Synchronisation mit Zeilenkameras
Zeilenscan-Kameras für die Bahninspektion arbeiten gewöhnlich im Free-Running-Modus mit fester Zeilenrate oder im encodergetriggerten Modus, bei dem jede Zeile durch einen Impuls eines Drehgebers an einer Antriebswalze ausgelöst wird. In beiden Fällen muss die Beleuchtung während des gesamten Inspektionslaufs eine konstante Lichtleistung aufrechterhalten. Jede Intensitätsschwankung der Beleuchtung, die synchron zur Zeilenrate der Kamera verläuft, erzeugt periodische Streifenartefakte im Bild, die die Fehlererkennung beeinträchtigen.
Kontinuierlicher Modus vs. Stroboskopmodus für Zeilenscan
Zeilenscan-Kameras für die Bahninspektion werden meist mit Beleuchtung im Dauerbetrieb eingesetzt. Die Kamerabelichtung wird durch die Integrationszeit der Kamera festgelegt, und die Beleuchtung bleibt kontinuierlich eingeschaltet. Das vereinfacht die Synchronisation, da kein Triggersignal an die Beleuchtung gesendet wird. Die Beleuchtung muss über die gesamte Dauer des Inspektionslaufs, der sich bei großen Bahnrollen über Stunden oder Tage erstrecken kann, eine sehr stabile Lichtleistung halten.
Für Anwendungen mit sehr hoher Zeilenrate, bei denen die erforderliche Intensität im Dauerbetrieb die thermische Belastbarkeit der Beleuchtung übersteigt, wird der Stroboskopmodus verwendet. Die Beleuchtung wird einmal pro Zeile gepulst, synchronisiert mit dem Zeilentriggerausgang der Kamera, bei einer Impulsdauer, die der Integrationszeit der Kamera entspricht. Dadurch kann die Beleuchtung während des kurzen Integrationsfensters eine höhere Spitzenintensität liefern, ohne ihre durchschnittliche thermische Belastbarkeit zu überschreiten. Linienbeleuchtungen von RODER Vision unterstützen sowohl den Dauer- als auch den Stroboskopbetrieb.
Auswahl der Wellenlänge für Bahnmaterialien
Die optimale Beleuchtungswellenlänge für die Bahninspektion hängt von den optischen Eigenschaften des Bahnmaterials und der Art der zu erfassenden Fehler ab. Für die meisten Oberflächenfehlererkennungen auf undurchsichtigen Bahnen wird eine rote oder nahinfrarote Beleuchtung bei 625 nm bis 850 nm bevorzugt, da sie den Signal-Rausch-Abstand bei Standard-Silizium-Zeilensensoren maximiert und die Bahnstruktur dämpft, die feine Oberflächenfehler verdecken könnte.
Für die Farbdruckinspektion und die Erkennung von Farbabweichungen auf bedruckten Bahnen bietet eine Weißlichtbeleuchtung mit stabiler Farbtemperatur eine präzise Farbwiedergabe über die gesamte Bahnbreite. Eine Ultraviolettbeleuchtung dient der Inspektion fluoreszierender Sicherheitsmerkmale auf Banknotenpapier, Substraten für den Sicherheitsdruck und Authentifizierungsetiketten in Bahnform. Nahinfrarotbeleuchtung durchdringt Oberflächenbeschichtungen und kann Unteroberflächenmerkmale in mehrlagigen Papier- und Kartonbahnen sichtbar machen, die bei sichtbaren Wellenlängen unsichtbar bleiben.
Thermische Stabilität bei lang andauernden Bahninspektionsläufen
Bahninspektionslinien laufen über längere Zeiträume ohne Unterbrechung. Rollenwechsel können alle paar Stunden erfolgen, aber das Inspektionssystem läuft zwischen den Wechseln kontinuierlich durch. Die Beleuchtung muss während des gesamten Laufs eine stabile Intensität halten. Jede Drift der Beleuchtungsintensität durch LED-Erwärmung während des Betriebs zeigt sich als allmähliche Änderung des Bild-Grauwerts über die Länge der Bahnrolle. Diese Drift kann dazu führen, dass Fehler am Anfang oder Ende der Rolle unbemerkt bleiben, wenn die Lichtleistung der Beleuchtung vom Pegel abweicht, auf den die Inspektionsschwellen kalibriert wurden.
Linienbeleuchtungen von RODER Vision integrieren die HTTM-Wärmemanagement-Technologie. Das HTTM-System begrenzt die thermische Drift durch Regelung der LED-Sperrschichttemperatur ab dem Moment des Einschaltens der Beleuchtung, erreicht schnell ein thermisches Gleichgewicht und hält die Lichtleistung während des gesamten Laufs stabil. Dies macht Aufwärmverzögerungen vor dem Start der Inspektion überflüssig und verhindert eine Leistungsdrift bei langen Produktionsläufen.
Produkte und Technologien
RODER Vision Beleuchtungseinheiten für die Bahn- und Zeilenscan-Inspektion
Die folgenden Produktfamilien von RODER Vision eignen sich für die Zeilenscan-Bahninspektion in kontinuierlichen Produktionsumgebungen.
DL5 – Hochintensitäts-LED-Matrix
Hohe Spitzenintensität für Zeilenscan-Bahninspektion bei hohen Zeilenraten. Balkenformat für eine breite Bahnabdeckung. Hellfeld- und Dunkelfeld-Konfigurationen. Optionen mit mehreren Wellenlängen.
DL6 – LED-Matrix mit hoher Packungsdichte
HTTM Wärmemanagement für stabile Leistung bei langen Produktionsläufen. Multi-Wellenlänge. Kontinuierlicher und Stroboskop-Modus. Großes Balkenformat für große Bahnbreiten.
BL3 – LED-Hintergrundbeleuchtung
Durchlichtbeleuchtung für die Inspektion transparenter und durchscheinender Bahnen. Hohe Gleichmäßigkeit für präzise Dicken- und Einschlusserkennung. Mehrere Wellenlängen und Formatgrößen.
FD2 – Flat Dome LED-Beleuchtungseinheiten
Diffuse Beleuchtung für die Farbinspektion bedruckter Bahnen. Eliminiert gerichtete Reflexionen auf glänzend beschichteten Substraten. Gleichmäßiger Hintergrund für eine präzise Farb- und Dichtemessung.
Häufig gestellte Fragen
Die beste Geometrie hängt vom Bahnmaterial und den Fehlertypen ab. Hellfeldbeleuchtung eignet sich für glatte, reflektierende Bahnen, bei denen Fehler als dunkle Flecken erscheinen, die die gerichtete Reflexion unterbrechen. Dunkelfeldbeleuchtung bei flachen Winkeln eignet sich für Oberflächenrelief-Fehler wie Kontaminationen und aufgerichtete Fasern. Durchlichtbeleuchtung wird bei transparenten und transluzenten Bahnen eingesetzt, um Dickenschwankungen und Einschlüsse zu erfassen.
Für anspruchsvolle Bahninspektionen ist eine Gleichmäßigkeit von 90 Prozent oder besser über die gesamte Bahnbreite im definierten Arbeitsabstand erforderlich. Eine geringere Gleichmäßigkeit erzeugt Grauwertvariationen über die Bildbreite, die reale Fehler verdecken oder Fehlmeldungen auslösen können. Überprüfen Sie die Gleichmäßigkeit mit einem kalibrierten Messaufbau im tatsächlichen Arbeitsabstand, bevor Sie die Beleuchtung abnehmen.
Der Dauerbetrieb ist die Standardwahl für die Zeilenscan-Bahninspektion, da er die Synchronisation vereinfacht und kein Triggersignal an die Beleuchtung erfordert. Der Stroboskopmodus wird eingesetzt, wenn die erforderliche Intensität im Dauerbetrieb die thermische Belastbarkeit der Beleuchtung übersteigt, was bei sehr hohen Zeilenraten der Fall ist. Linienbeleuchtungen von RODER Vision unterstützen beide Modi.
Die thermische Drift bewirkt eine Verschiebung der Beleuchtungsintensität, während sich die LED-Sperrschichttemperatur nach dem Einschalten stabilisiert. Sie zeigt sich als allmähliche Änderung des Bild-Grauwerts über die Länge der geprüften Rolle. Fehler können am Anfang oder Ende der Rolle unbemerkt bleiben, wenn die Lichtleistung vom Kalibrierpegel abweicht. Das HTTM-Wärmemanagement in Beleuchtungen von RODER Vision begrenzt diese Drift für eine stabile Lichtleistung über lange Läufe.
Weißlichtbeleuchtung dient der Farbdruckinspektion und der Erkennung von Farbabweichungen auf bedruckten Bahnen. Rote oder nahinfrarote Beleuchtung maximiert den Signal-Rausch-Abstand für die Oberflächenfehlererkennung bei der Monochrominspektion mit Silizium-Zeilensensoren. UV-Beleuchtung dient der Inspektion fluoreszierender Sicherheitsmerkmale auf Sicherheitspapier und Authentifizierungssubstraten. Nahinfrarotbeleuchtung kann Unteroberflächenmerkmale in mehrlagigen Papier- und Kartonbahnen sichtbar machen.
Kontakte & Informationen
Kontakt für allgemeine Informationen: info@roder.it
Partner für System- und Sensorintegration: www.roder.it
RODER Geschäftsbereich Industrielle Bildverarbeitung: www.visiotronix.com
RODER Geschäftsbereich Messtechnik: www.innovacheck.com
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