Blitzbeleuchtung vs. Permanent- und Schaltbeleuchtung: Fremdlicht unterdrücken und Bewegungsunschärfe vermeiden
Permanent- und Schaltbeleuchtungen
Bei der Arbeit mit einer Permanentbeleuchtung wird die Lichtquelle dauerhaft mit Nominalstrom betrieben. Dadurch ist es nicht notwendig, die Beleuchtung zum Zeitpunkt der Bildaufnahme einzuschalten. Dies ist zum Beispiel bei sehr schnellen Prozessen erforderlich, bei denen die Bildaufnahmefrequenz weit über der möglichen Schalt- oder Blitzfrequenz der Beleuchtung liegt. Jene Betriebsart wird darum häufig bei Zeilenkameraanwendungen eingesetzt. Weiterhin besitzen viele Low Cost Beleuchtungen keine Schalteingänge, sodass diese nur im Permanentbetrieb eingesetzt werden können.
Geschaltete oder gepulste Beleuchtungen werden ebenfalls mit Nominalstrom betrieben. Sie liefern somit dieselbe Helligkeit, wie eine Permanentbeleuchtung. Allerdings ist es möglich, die Beleuchtung über schnelle optoentkoppelte SPS- und TTL-Schalteingänge zum Moment der Bildaufnahme anzuschalten und im Anschluss wieder auszuschalten. Der Vorteil des Schaltbetriebs liegt vor allem in der Steigerung der Lebensdauer der LEDs. Denn durch die Verkürzung der Einschaltdauer kann die Lebensdauer entscheidend erhöht werden. So kann eine Beleuchtung, die nur mit halber Einschaltzeit betrieben wird, die doppelte Lebensdauer einer Permanentbeleuchtung erreichen.
Nicht selten wird der Schaltbetrieb mit einem Blitzbetrieb verwechselt. Hier besteht jedoch die Möglichkeit, die LEDs für eine sehr kurze Anschaltzeit mit einer vielfach höheren Leistung zu betreiben. Probleme durch Fremdlicht oder Bewegungsunschärfe können dadurch gelöst werden.
Blitzbeleuchtungen
Jeder Hobbyfotograf hat es schon verwendet – das Blitzlicht. Aber nicht nur an Spiegelreflex-, Digital- und Handykameras finden Blitzbeleuchtungen ihre Berechtigung. Besonders im industriellen Einsatz gewinnt das Thema Blitzen immer mehr an Bedeutung.
In der industriellen Bildverarbeitung werden jedoch keine Aufsteckblitze oder integrierten Kamerabeleuchtungen verwendet. Vielmehr sind es genau die Beleuchtungsformen, die wir im 1. Themenblock beschrieben haben. Allerdings verfügen diese über einen speziellen, meist integrierten Blitzcontroller, wodurch die LEDs in der Beleuchtung extrem schnell, präzise und lichtstark geblitzt werden.
Dabei werden die LEDs mit einem sehr hohen Strom betrieben. Dadurch ist eine Helligkeitssteigerung bis zu Faktor 25 im Vergleich zu Permanent- und Pulsbeleuchtungen möglich. Die Blitzbeleuchtung ist nicht nur um ein Vielfaches heller, sondern beim Anliegen eines Triggersignals steht innerhalb des einstelligen Mikrosekundenbereichs die maximale Lichtleistung der Beleuchtung zur Verfügung. Durch diese schnelle Verfügbarkeit in Verbindung mit der enormen Lichtstärke kann die Belichtungszeit der Kamera sehr kurz gewählt werden. Die Belichtungszeit entspricht hierbei der Blitzdauer und liegt zwischen 10 und 750 µs.
Durch die extrem kurze Belichtungszeit können folgende störende Effekte minimiert werden:
1. Bewegungsunschärfe
Ob bei der Arbeit mit Robotern oder Transportbändern, um die Produktivität sowie die Durchlaufzeiten zu erhöhen, werden die Bewegungsabläufe immer schneller. Das Bildverarbeitungssystem soll dabei natürlich nicht die Bewegungen ausbremsen. Damit dies gewährleistet werden kann, wird das Bild bestenfalls direkt in der Bewegung aufgenommen und ausgewertet. Doch wissen Sie, wie lang die Belichtungszeit sein darf, wenn sich Ihr Objekt mit 0,5 m/s bewegt und die zulässige Unschärfe 2 Pixel nicht überschreiten darf? Exakt 100 µs.
Mit einer Permanent- oder Schaltbeleuchtung ist dies undenkbar. Die Lichtstärke ist viel zu gering, um das Objekt ausreichend zu beleuchten. Außerdem ist die Einschaltverzögerung einer Schaltbeleuchtung zu groß.
Die maximale Lichtleistung der Blitzbeleuchtung ist innerhalb von höchstens 5 µs verfügbar und liefert enorm viel Licht. Dadurch ist – wie bereits oben erwähnt – eine sehr kurze Belichtungszeit überhaupt kein Problem. Die Bewegung des Objekts kann quasi eingefroren werden (siehe Video weiter unten). Für das menschliche Auge und die Kamera wirkt das bewegte Objekt, als würde es stillstehen. Eine Auswertung ist problemlos möglich.
2. Fremdlicht
Auch Fremdlicht kann mittels kurzer Belichtungszeiten und enormer Lichtstärke der Blitzbeleuchtungen gänzlich ausgeblendet werden. Selbst ein direkt neben der Kamera befindliches Fenster oder eine andere Lichtquelle wird bei einer Belichtungszeit von maximal 750 µs von der Kamera nicht wahrgenommen und hat dadurch keinen Einfluss auf das Prüfbild. Das erhöht die Zuverlässigkeit der Auswertung enorm. Besonders in großen Produktionshallen muss man sich keine Sorgen mehr machen, dass sich Umgebungsbedingungen ändern oder ein Fremdlicht die Kontrolle mittels Kamerasystem stört.
3. Störlicht
Tatsächlich empfindet das menschliche Auge Blitzbeleuchtungen weniger störend als Schaltbeleuchtungen. Dies klingt im ersten Moment nicht unbedingt logisch, aber schauen Sie sich einmal das nachfolgende Video an:
Die Blitzbeleuchtung wirkt im unteren Bild wesentlich dunkler als die Pulsbeleuchtung. Obwohl diese, wie oben auf dem Kamerabild im Video zu sehen ist, deutlich heller ist. Der Effekt kommt daher, dass unser Auge die kurzen Lichtimpulse nicht so schnell und intensiv wahrnehmen kann. Die Beleuchtung wird deshalb als weniger störend empfunden.
