Die richtige Beleuchtung für Zeilenkamera-Anwendungen auswählen

White Paper

Die optimale Beleuchtung für Zeilenkamera-Anwendungen

Dienstag, 8. März 2016

Die Geschwindigkeit von Zeilenkameras hat sich während der letzten Jahre signifikant erhöht. Moderne Zeilenkameras sind in der Lage, mit Integrationszeiten im Bereich von 15 µs zu arbeiten. Um eine ausgezeichnete Bildqualität sicher zu stellen, sind in solchen Fällen Beleuchtungsstärken von teilweise mehr als 1 Million Lux notwendig. Eines der wichtigsten Kriterien zur Beurteilung der Bildqualität sind Störungen durch Rauschen. Innerhalb von Bildverarbeitungssystemen gibt es unterschiedliche Rauschquellen. Üblicherweise dominiert der sogenannte „Shot Noise“.

Der „Shot Noise“ wird durch einen physikalischen Effekt verursacht und hat nichts mit der Kameraqualität zu tun. Die Ursache für dieses Rauschen liegt in der speziellen Natur des Lichts, das heißt der Photonen. Die Bildqualität ist abhängig von der Photonen-Anzahl, die auf das Objekt treffen und letztlich der Anzahl an Photonen, die den Kamerasensor erreichen.

In einem Aufbau mit einer definierten optischen Signalübertragung gibt es drei Parameter, die den „Shot Noise“ bei einer Bildaufnahme beeinflussen:

  • die Integrationszeit (Scan-Geschwindigkeit).
  • die Blende (Tiefenschärfe und maximale Schärfe).
  • die Lichtmenge auf dem gescannten Objekt.

Die Wahl der Objektiv-Blende hat eine signifikante Wirkung auf die Anforderungen an die Lichtstärke. Ändert man die Blende beispielsweise von 4 auf 5.6, so ist eine um den Faktor 2 höhere Lichtmenge notwendig, um das gleiche Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) beizubehalten (--> siehe Grafik 01). Durch eine höhere Blende wird mehr Tiefenschärfe erzielt und die Abbildungsqualität durch reduzierte Vignettierungseffekte bei den meisten Objektiven verbessert.

Grafik 01: Beispiel eines SNR, resultierend aus dem Rauschsignal // 50 µs Integrationszeit, 200 DPI Auflösung, diffuse Reflexion mit 80%.

Licht für alle Anwendungsfälle

LEDs sind heute in vielen verschiedenen Farben verfügbar. Es gibt sie in rot, grün, blau, gelb oder amber. Auch UV-LEDs und IR-LEDs sind erhältlich. Die Auswahl einer bestimmten Farbe und damit einer bestimmten Wellenlänge kann dazu beitragen, Objekteigenschaften auf Oberflächen mit unterschiedlichem Spektralverhalten sichtbar zu machen.

In der Vergangenheit wurde die rote Beleuchtung oft dort angewandt, wo hohe Intensitäten gefordert wurden. Relevante Leistungssteigerungen in der LED-Technologie gibt es aktuell jedoch hauptsächlich bei den weißen LEDs. Diese Hochleistungs-LEDs kommen beispielsweise in Autoscheinwerfern und Straßenleuchten zum Einsatz. Tatsächlich besteht der Kern einer weißen LED aus einer blauen LED. Mit Hilfe phosphorierender Leuchtstoffe werden dabei Teile des Lichtes der blauen LED in andere sichtbare Spektralbereiche konvertiert, um damit ein „weißes“ Licht zu erzeugen.

UV-LEDs werden in der Praxis häufig dazu verwendet, Fluoreszenzeffekte sichtbar zu machen. In vielen Fällen ist dazu eine Wellenlänge von ca. 400 nm ausreichend. Darüber hinaus können für die Aushärtung von Farben, Klebstoffen oder Lacken UV-LEDs mit kürzeren Wellenlängen die richtige Wahl sein. UV-LEDs sind im Vergleich zu blauen oder weißen LEDs weniger leistungsfähig. Durch eine Fokussierung über einen Reflektor kann die Bestrahlungsstärke jedoch erhöht werden.

IR-Beleuchtungen werden beispielsweise in der Lebensmittelinspektion eingesetzt. Hier kommen Wellenlängen von 850nm oder 940nm zum Einsatz. In der Sortierung von Recyclingmaterialien können mit Wellenlängen von 1.200nm bis 1.700nm unterschiedliche Materialien identifiziert werden. Allerdings sind die IR-LEDs in diesem Wellenlängenbereich gegenüber klassischen Halogenlampen mit entsprechenden Filtern in Bezug auf ihre Strahlleistung im Nachteil.

Gut gekühlt

Die nur sehr kurze Aufwärmphase von LEDs resultiert aus der kleinen Bauform. Diese Tatsache bedingt jedoch eine gute Wärmeableitung, um die LEDs in angemessenen Arbeits-, das heißt Temperaturbedingungen zu halten. Es gilt die Regel: Je besser die Kühlung, desto länger die Lebensdauer einer LED. Die LED-Temperatur beeinflusst neben der Lebensdauer auch das spektrale Verhalten (eventuelle Farbverschiebungen) sowie die generelle Leistungsfähigkeit (Helligkeit).

In Anwendungen, bei denen eine präzise Farbwiedergabe erforderlich ist, wird deshalb empfohlen, die Temperatur der Beleuchtung auf einen definierten Wert zu stabilisieren. Wirksame Kontrollsysteme können die Temperatur einer LED heute durch intelligente Kühlung in einer Bandbreite von weniger als 2°C regeln.

Moderne Beleuchtungssysteme, wie beispielsweise das von Chromasens entwickelte Beleuchtungssystem Corona II, unterstützen zahlreiche Kühloptionen. Dazu zählen die passive Kühlung durch Wärmeableitung über Konvektion, die Druckluftkühlung, die Wasserkühlung oder eine temperaturgeregelte Lüfterkühlung. Aktive Lüfterkühlung, Pressluft oder Wasserkühlung sind eine gute Wahl für Messanwendungen bei hohen Umgebungstemperaturen. Durch die Temperaturüberwachung der LEDs und die Regelung der Kühlung lassen sich die Verschiebungen in der Farbwiedergabe komplett vermeiden oder zumindest stark verringern.

Fokus auf das Wesentliche

Ist ein flaches Objekt mit bekanntem und fixem Abstand zu beleuchten, ist die Auswahl der notwendigen Fokussierung vergleichsweise einfach. Aufwändiger gestaltet sich die Auswahl der richtigen Beleuchtung, wenn das Objekt keinen genau definierten Abstand zum Licht hat oder die Oberfläche nicht flach ist. In diesem Fall stellt die Sicherstellung einer gleichbleibend ausreichenden Bildhelligkeit eine Herausforderung für die Beleuchtung dar. Der Einsatz von Reflektortechnik ermöglicht es in derartigen Fällen, mehr Licht von einer LED zu sammeln (größerer Erfassungswinkel der abgestrahlten Lichtmenge) und eine bessere Lichtverteilung über die Tiefe zu erreichen.

Im Gegensatz zu einer Hintergrund- oder einer Hellfeldbeleuchtung wird für eine Auflichtbeleuchtung in der Regel eine fokussierte Beleuchtung eingesetzt. Marktübliche Beleuchtungssysteme setzen hier Stablinsen oder Fresnellinsen ein, um die notwendigen Beleuchtungsstärken zu erreichen. Chromasens praktiziert hier einen neuen und in dieser Form einzigartigen Ansatz. Während die Verwendung von Stablinsen zu Farbabweichungen aufgrund von Brechungseffekten führt, ist das von Chromasens entwickelte und patentierte Spiegel- (Reflektor-) Prinzip frei von solchen negativen Auswirkungen.

Glänzende oder reflektierende Materialien stellen im Hinblick auf die Beleuchtung eine Herausforderung dar. Häufig kommt es zu unerwünschten Reflektionen im Bild. In Kombination mit einem um 90 Grad gedrehten Polarisationsfilter vor der Kamera können diese unerwünschten Lichtreflexe verhindert werden. Beim Einsatz derartiger Filter müssen einige Faktoren bedacht werden. Ein Punkt ist die Temperaturstabilität der Filter. Viele Polarisationsfilter sind diesbezüglich nur eingeschränkt einsetzbar. Ein weiteres Kriterium ist die Effektivität: Durch derartige Anordnungen erreicht nur ca. 18 bis 20 Prozent der ursprünglichen Lichtmenge den Sensor. Die Lichtmenge der Beleuchtung muss also entsprechend hoch sein, um Rauschen zu minimieren und dennoch eine ausreichende Bildqualität beim Einsatz von Polarisationsfiltern zu erzielen.

Grafik 02: Corona II, Fokus 190 mm

Zusammenfassung

Bei der Auswahl der richtigen Beleuchtung für Zeilenkamera-Anwendungen gilt es folgende Beziehungen und Faktoren zu beachten:

  • Die Objektivblende und Lichtmenge haben einen signifikanten Einfluss auf das Signal-Rausch-Verhältnis.
  • LED-Systeme bieten deutliche Vorteile gegenüber traditionellen Beleuchtungstechnologien wie Halogen- oder Fluoreszenzlampen.
  • Eine gute Kühlung sichert eine lange Lebensdauer, ein konstantes Spektralverhalten und eine hohe Helligkeit.
  • Der Einsatz von Reflektoren sichert eine optimale Ausleuchtung auch bei unterschiedlichen Arbeitsabständen.
  • Farbige LEDs, UV- und IR-LEDs bieten eine optimale Auswahl für unterschiedliche Anwendungsfälle.
  • Polarisationsfilter verhindern unerwünschte Lichtreflexe auf glänzenden Oberflächen. Die gebotene Lichtmenge der Beleuchtung muss jedoch ausreichend groß sein.

Zusätzliche Informationen und Inhalte zum Thema ‚Licht’ gibt es im Chromasens White Paper ‚Die optimale Beleuchtung für Zeilenkamera-Anwendungen: Was man beachten muss’

Das White Paper lässt sich hier herunterladen.