20. Mai 2009
Vision 2009: Hellere LED-Beleuchtungen und hochauflösende Objektive im Trend
Vom 3. bis 5. November findet die Vision 2009, Fachmesse für industrielle Bildverarbeitungs- und Identifikationstechnologien, in Stuttgart statt. Im Fokus werden hier unter anderem die Komponenten „Licht und Optik“ stehen: LED (Light Emitting Diodes) befinden sich auf ihrem Siegeszug und in der Optik lässt sich der Trend zu hochauflösenden Objektiven erkennen. Gerade in diesen Bereichen will die Messe weitere Aufklärungsarbeit leisten.
Das richtige Objektiv
Die oftmals anspruchsvollen Aufgaben der industriellen Bildverarbeitung (IBV) können nur dann optimal gelöst werden und zuverlässige Messergebnisse liefern, wenn die fünf Säulen Kamera, Optik, Beleuchtung, Schnittstelle und Software richtig ausgewählt und aufeinander abgestimmt sind. „Doch leider wird die Bedeutung des Objektivs ähnlich wie die der Beleuchtung häufig noch unterschätzt“, sagt Uwe Eckerl, Projektleiter sowie zuständig für die Entwicklung von Objektiven und optomechanischen Sensoren bei der IB/E Optics Eckerl GmbH. Dabei sei ein gutes Primärbild Voraussetzung für eine hochwertige und stabile Bildauswertung. Auch Jürgen Fahlbusch, International Sales Manager bei der Carl Zeiss AG bedauert, dass vielen Anwendern das Zusammenspiel von Kamera und Optik nicht ausreichend bekannt ist: „Der Optik wird weit weniger Beachtung geschenkt.“ Ähnlich verhält es sich bei der Beleuchtung. „Hier tendieren Anwender zum Sparen“, hat Meinrad Simnacher, Geschäftsführer der Leutron Vision GmbH, erfahren. Oft werde mit einer Billiglösung begonnen, um im Nachhinein mit hohem Zeitaufwand festzustellen, dass damit keine stabile und sinnvolle Lösung möglich ist. Zum Teil herrsche auch eine hohe Softwaregläubigkeit, so U. Eckerl. Wer jedoch glaubt, er könne Fehler, die durch die Auswahl eines ungeeigneten Objektivs oder einer ungenügenden Beleuchtung auftreten, softwaretechnisch ausgleichen, irrt. „Fehler, die hier gemacht werden, so M. Simnacher, „lassen sich oft nur mit hohem Aufwand oder gar nicht kompensieren.“ Deshalb gibt es viele Kriterien und Parameter, die der Anwender bei der Auswahl des richtigen Objektivs und der richtigen Beleuchtung beachten muss, die über Erfolg oder Misserfolg einer Bildverarbeitungslösung entscheiden.
Die Bedeutung der richtigen Beleuchtung
„Die Entwicklung eines Bildverarbeitungssystems sollte mit der Beleuchtung beginnen“, meint außerdem Birgit Menzel von der Geschäftsführung der Falcon LED Lighting Ltd. Ein optimales Licht hebt wichtige Merkmale auf einem Objekt hervor und rückt die nicht relevanten visuell in den Hintergrund. „Bei der Auswahl einer geeigneten Beleuchtung muss im Vorfeld exakt spezifiziert werden, um welches Objekt es sich handelt und welche Parameter ausgewertet werden müssen“, sagt Hendrik Schumann, Leiter Bildverarbeitung bei der Polytec GmbH. Des Weiteren müssten aber auch die örtlichen Gegebenheiten und eventuell bereits definierte Bildverarbeitungkomponenten wie die Kamera hinterfragt werden.
Dr. Eberhard Fischer, Produktmanager Bildverarbeitung bei der Polytec GmbH, hat beobachten können, dass „in den vergangenen fünf Jahren die LED-Beleuchtung die klassische faseroptische Beleuchtung in ihrer Bedeutung überholt hat“, wobei sich die Vielfalt der Beleuchtungsarten enorm gesteigert habe. Das wird auch auf der Vision 2009 sichtbar werden.
Im Vergleich zu anderen Beleuchtungsarten haben LED diverse Vorteile: „Sie bestechen vor allem durch ihre Langlebigkeit und durch geringe Ausfallraten. Außerdem ist die relative Konstanz der Helligkeit besser als bei Leuchtstoffröhren und gegenüber Lichtfaserbeleuchtungen sind LED kostengünstiger“, argumentiert M. Simnacher.
Zudem erlauben LED-Beleuchtungen eine breite Vielfalt an Bauformen, Größen und Lichtfarben. H. Schumann zufolge übertreffen sie dadurch die klassische faseroptische Beleuchtung oder Leuchtstoffröhren in ihrer Flexibilität. B. Menzel stellt zudem heraus, dass LED über eine schnelle Reaktionszeit verfügen, einfach zu handhaben und günstig im Verbrauch sind und im Vergleich etwa zu Glühlampen mit gleicher Wattzahl über eine bessere Wärmeableitung verfügen. Über eine große Auswahl an Steuereinheiten lassen sich LED auf unterschiedliche Art und Weise einzeln oder in Gruppen als Blitz- oder Dauerlicht ansteuern und damit leicht auf vielfältige Aufgaben zuschneiden.
Auf der Vision 2009 im Herbst werden die Hersteller ihre Innovationen präsentieren, und die Experten sind sich einig: Zukünftig wird es LED mit noch helleren Leuchtköpfen geben, was noch mehr Vielfalt und Freiheit bei Anwendungen gewährt. „Beispielsweise kann der Arbeitsabstand zum Objekt besser variiert oder es können Belichtungszeiten verkürzt werden“, erklärt Dr. Fischer, „sodass sich bei bewegten Objekten noch schärfere und damit bessere Bilder aufnehmen lassen.“ Steigende Nachfrage nach extrem hellen LED sieht B. Menzel auch in Verbindung mit Highspeed-Bilderfassungssystemen und anspruchsvollen Aufgaben mit hochauflösender Bildgebung in denen Zeilenkameras eingesetzt werden.
Beleuchtung und Objektiv müssen gut aufeinander abgestimmt sein. Nach Alexander Stumpe, Produktmanager bei der Jos. Schneider Optische Werke GmbH, sorgt ein gutes Objektiv für eine kontrastreiche Übertragung der notwendigen Information. Doch welche Kriterien sollte ein optimal ausgesuchtes Objektiv erfüllen? Es muss den Bildsensor der Kamera abdecken und auf dessen Auflösung abgestimmt sein. Ebenso müssen Transmission sowie Verzeichnung berücksichtigt sein. „Auch der Einsatz von Mikrolinsen bei Bildsensoren sowie die mechanischen Qualitäten eines Objektivs wie Vibrationsunempfindlichkeit müssen bedacht werden“, merkt A. Stumpe an. Das Bad Kreuznacher Unternehmen hat beispielsweise ein Objektiv für 4-Megapixel-1,3-Zoll-CCD-Kameras mit Mikrolinsen entwickelt, dessen spezielles Optik-Design ein Shading (Abschatten) auf dem Sensor verhindert. „Es bietet besonders in der Messtechnik Vorteile. Und bei seiner kurzen Brennweite von 24 mm, ermöglicht es einen großen Erfassungsbereich bei kleinen Arbeitsabständen“, sagt A. Stumpe.
Wird ein ungeeignetes Objektiv eingesetzt, kann dies folgenreich sein: Die Leistung eines Sensors wird möglicherweise nicht voll ausgeschöpft, wichtige Details können nicht auf dem Sensor abgebildet werden. Es können Abschattungen bzw. Verzerrungen entstehen. Die Folge sind falsch bewertete oder nicht erkannte Fehler in der Qualitätskontrolle einer Produktion.
Entscheidend bei der Auswahl des passenden Objektivs sind ebenfalls die Umgebungsbedingungen einer Anwendung. „Befindet sich der Aufbau in einer dunklen Produktionshalle“, berichtet J. Fahlbusch, „sollte beispielsweise darauf geachtet werden, dass eine möglichst lichtstarke Optik zum Einsatz kommt. Dadurch können wesentlich bessere Messergebnisse erzielt werden, ohne unbedingt in ein zusätzliches Beleuchtungssystem investieren zu müssen.“
Auch der Wellenlängenbereich muss passen. Die Carl Zeiss AG wird beispielsweise auf der Vision 2009 ihre ZF-IR-Objektive präsentieren, die auf Infrarotlicht optimiert sind. Sie verfügen über eine spezielle Vergütungsschicht. „Das in Jahrzehnten bewährte Carl Zeiss T* Anti-Reflex-Coating wurde dabei verändert. Dadurch konnte eine wesentlich höhere Transmission bis zu einer Wellenlänge von 1.150 nm erreicht werden“, sagt J. Fahlbusch. Diese Objektive eignen sich laut Hersteller besonders für Lumineszenzmessverfahren, die etwa zur Qualitätskontrolle in der Produktion von Solarzellen eingesetzt werden.
Nicht zuletzt sollte sich der Anwender die Frage stellen, ob in seinem Fall der Einsatz eines speziellen Objektivs, wie Makro-, Telezentrie- oder Weitwinkelobjektiv, sinnvoll ist. Für gewöhnlich weisen Ultra-Weitwinkel-Optiken eine hohe Verzeichnung am Rand und geringe Auflösung an den Ecken des Bildes auf. Die Ingenieure der IB/E Optics Eckerl GmbH haben diesen Mangel behoben und Ultra-Weitwinkel-Objektive (100°/130°) mit geringer Verzeichnung entwickelt. Diese werden auf der Messe zu sehen sein. „Nun können auch in Randbereichen eines Objektfelds Gegenstände erkannt und ausgewertet werden – im Gegensatz zu Fisheye-Optiken“, sagt U. Eckerl.
Zwei Trends bei Kameras erkennbar
Deutlich zu erkennen sind zwei Trends bei Kameras: zum einen größere, hochauflösende Bildsensoren und zum anderen Bildsensoren mit kleineren Pixeln. Beide Lösungsansätze stellen heute und in der Zukunft noch eine Herausforderung für die Optikhersteller dar, denn sie erzwingen hochauflösende Objektive mit teilweise größerem Bildkreis. „Nur durch den Einsatz solcher Objektive“, erklärt J. Fahlbusch, „kann der Vorteil des größeren Sensors auch genutzt werden. Denn Visionsysteme werden sehr häufig für Messzwecke eingesetzt. Ist die Auflösung des Objektivs geringer als die Pixelgröße, führt das zu einem Genauigkeitsverlust des Gesamtsystems, was unter Umständen das komplette Messsystem unbrauchbar macht.“
Weitere Informationen unter www.messe-stuttgart.de.
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