In Machine Vision stellt die Hinterleuchtung eine der nützlicheren und außerdem die häufigste Beleuchtungstechnik dar (Abb. 1a); sie wird üblicherweise für die Prüfung auf An-/Abwesenheit, die Messung und die Prüfung der Ausrichtung/Anordnung von Teilen verwendet, und dies insbesondere in Kombination mit Pick&Place- oder sichtgeführten Roboteranwendungen. Es gibt jedoch Einschränkungen für den Einsatz von Hinterleuchtung; primär bestehen diese darin, dass für die Kamera bzw. die Hinterleuchtung Zugang zur Ober- und Unterseite oder Vorder- und Rückseite des Prüfstücks benötigt wird. Diese Geometrie kann schwierig zu implementieren sein, wenn Teile sich auf einem Fließband bewegen, insbesondere wenn kein Durchlicht am Fließband angebracht werden kann, damit das Prüfstück effektiv über die beleuchtete Oberfläche geschoben wird.
Die meisten der oben erwähnten Anwendungen erfordern nur eine Silhouette und erzeugen effektiv einen sofortigen Kontrast zwischen dem weißen Hintergrund und dem schwarzen Prüfstück, wobei erwartet wird, dass kein Licht das Prüfstück durchdringt (siehe Abb. 1b). Es gibt jedoch Variationen des Themas der Schwarz-Weiß-Silhouette, nämlich jene Anwendungen, bei denen das Licht Teile des Prüfstücks auf unterschiedliche Weise durchdringen muss, um beispielsweise ein festes Objekt zu lokalisieren oder den Flüssigkeitsstand in einem anderen Objekt zu bestimmen. Hier liegt der Schwerpunkt auf einer unterschiedlichen Penetration des Hintergrundlichts, und es werden Beispiele dafür gezeigt, wann und warum unterschiedliche Wellenlängen abhängig von der Transmissivität und Farbe des Prüfstücks nützlich sein können.
Eine gängige Anwendung für Durchlicht in der Pharmaindustrie ist die Prüfung auf Anwesenheit von Bandagen, Pads oder Gazematerialien in deren steriler Verpackung. Da sowohl die eingesetzten Objekte als auch ihre Verpackung weich und oft halbtransparent sind, lässt sich die Prüfung auf An-/Abwesenheit gut mit einer standardmäßigen Hinterleuchtung vornehmen (Abb. 2a). Abb. 2b zeigt ein kleines Augenpad aus Baumwolle in seiner sterilen Papierverpackung; in diesem Beispiel kann das Vision-System die An-/Abwesenheit rasch feststellen und außerdem annähernde Größen- und Formparameter messen, um zu prüfen, ob das richtige Pad verpackt wurde. Zum Vergleich dient Abb. 2c, in der kein Pad verpackt wurde. Abb. 2d zeigt schließlich, wie es aussieht, wenn sich mehrere Pads in der Verpackung befinden. Hier ist anzumerken, dass bei dieser Anwendung eine homogene Hinterleuchtung weniger wichtig ist als eine Lichtintensität, die zur Penetration des Prüfstücks und seiner Verpackung ausreicht.
Ist die ausreichende Lichtintensität notwendigerweise die einzige Lösung, wenn Materialien in Durchlicht-Anwendungen penetriert werden sollen? Gibt es andere Möglichkeiten? Betrachtet man das sichtbare Spektrum und den angrenzenden Bereich (Abb. 3), stellt man fest, dass sich weißes oder für das menschliche Auge sichtbares Licht hinsichtlich der Wellenlänge im Bereich von 400 nm bis etwa 700 nm befindet. UV-Licht liegt im Bereich 400 nm bis 200 nm und IR-Licht im Bereich oberhalb von 700 nm.
Zu dieser Hintergrundinformation ist noch anzumerken, dass eine direkte Korrelation zwischen der Wellenlänge des Lichts und der Penetrationsfähigkeit besteht; daher kann in Hinterleuchtungsanwendungen Licht mit einer größeren Wellenlänge, wie z. B. rotes oder IR-Licht, ein Material tiefer durchdringen als blaues Licht.
Dieser Effekt wird in der folgenden Anwendung deutlich: Es wurden die oberflächenmontierten Durchlicht-LED-Leuchten BL040401-660 (rot) und BL040401-880 (nahes IR) für eine halbtransparente bestückte Leiterplatte verwendet (Abb. 4a bzw. 4b), um zu testen, wie gut jede einzelne Wellenlänge das Material tatsächlich penetrierte. Im Ergebnis definiert das IR-Licht mit 880 nm die Bahnen in der Leiterplatte besser als das rote Licht mit 660 nm.
Doch woher weiß man, ob das IR-Licht für die Kamera nicht einfach intensiver war oder die Kamera vielleicht empfindlicher auf IR-Licht reagierte? Bei einer näheren Untersuchung der Bilder der Leiterplatte fällt ein Loch im oberen Teil der Leiterplatte auf. Hier ist zu erkennen, dass das rote Licht (mit kürzerer Wellenlänge) so hell war, dass es im Vergleich zum IR-Licht mit 880 nm die Lochränder zum Fluoreszieren brachte. Obwohl die Kamera sensibler auf das rote Licht reagierte, penetrierte das IR-Licht die Leiterplatte eindeutig besser.
Eine ähnliche Tendenz bei der Penetration lässt sich bei der Prüfung des Glühfadens einer Glühlampe beobachten. Dies wird durch eine Reihe von Bildern verdeutlicht, die mit blauer (470 nm), roter (660 nm) und IR (880 nm)-Hinterleuchtung aufgenommen wurden (Abb. 5a, b und c). Blaues Licht penetriert das Glas und die Diffusor-Beschichtung der Glühlampe nicht; das rote Licht zeigt einige Details des Glühfadens, während das IR-Licht deutlich die meisten nützlichen Details für die Prüfung wiedergibt.
Nachdem nun festgehalten werden kann, dass entweder Lichtintensität oder Wellenlänge für die Hinterleuchtung von durchscheinenden Materialien nützlich sein kann, ist hier noch anderes zu berücksichtigen? Penetriert Licht mit längerer Wellenlänge immer besser oder kann die Farbe des Prüfstücks die Lichtpenetration in ähnlicher Weise wie die Lichtreflexion beeinflussen?
Eine weitere häufige Anwendung ist die Prüfung des Flüssigkeitsstandes in Flaschen. In diesem Fall enthält eine farbige Glasflasche klares Kölnischwasser. Wird mit der am häufigsten verwendeten Farbe Rot hinterleuchtet, wird deutlich, dass das Licht die Flasche nicht durchdringt (Abb. 6a). Auf der Grundlage der Erkenntnis, dass Licht mit längerer Wellenlänge besser penetriert, wird zu einem IR-Licht von 880 nm gewechselt; doch auch dieses Licht penetriert die Flasche und den Inhalt nicht (Abb. 6b). Der Vollständigkeit halber wird auch das Licht mit der kürzesten Wellenlänge (blau) eingesetzt, und interessanterweise penetriert es die Flasche und den Inhalt gut genug, um den Füllstand der Flüssigkeit erkennen zu können, wie für die Prüfung erforderlich (Abb. 6c).
Berücksichtigt man, dass die Farbe des Prüfstücks auch die Transmission von Licht mit bestimmter Wellenlänge beeinflussen kann, lässt sich in diesem Fall korrekt schließen, dass die Flasche aus blauem Glas besteht. Außerdem lässt sich daraus nicht nur ableiten, dass farbige feste Objekte das Licht derselben Farbe effektiver reflektieren, sondern auch, dass farbige durchscheinende Objekte Licht derselben Farbe in ähnlicher Weise durchlassen.
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Die meisten der oben erwähnten Anwendungen erfordern nur eine Silhouette und erzeugen effektiv einen sofortigen Kontrast zwischen dem weißen Hintergrund und dem schwarzen Prüfstück, wobei erwartet wird, dass kein Licht das Prüfstück durchdringt (siehe Abb. 1b). Es gibt jedoch Variationen des Themas der Schwarz-Weiß-Silhouette, nämlich jene Anwendungen, bei denen das Licht Teile des Prüfstücks auf unterschiedliche Weise durchdringen muss, um beispielsweise ein festes Objekt zu lokalisieren oder den Flüssigkeitsstand in einem anderen Objekt zu bestimmen. Hier liegt der Schwerpunkt auf einer unterschiedlichen Penetration des Hintergrundlichts, und es werden Beispiele dafür gezeigt, wann und warum unterschiedliche Wellenlängen abhängig von der Transmissivität und Farbe des Prüfstücks nützlich sein können.
Eine gängige Anwendung für Durchlicht in der Pharmaindustrie ist die Prüfung auf Anwesenheit von Bandagen, Pads oder Gazematerialien in deren steriler Verpackung. Da sowohl die eingesetzten Objekte als auch ihre Verpackung weich und oft halbtransparent sind, lässt sich die Prüfung auf An-/Abwesenheit gut mit einer standardmäßigen Hinterleuchtung vornehmen (Abb. 2a). Abb. 2b zeigt ein kleines Augenpad aus Baumwolle in seiner sterilen Papierverpackung; in diesem Beispiel kann das Vision-System die An-/Abwesenheit rasch feststellen und außerdem annähernde Größen- und Formparameter messen, um zu prüfen, ob das richtige Pad verpackt wurde. Zum Vergleich dient Abb. 2c, in der kein Pad verpackt wurde. Abb. 2d zeigt schließlich, wie es aussieht, wenn sich mehrere Pads in der Verpackung befinden. Hier ist anzumerken, dass bei dieser Anwendung eine homogene Hinterleuchtung weniger wichtig ist als eine Lichtintensität, die zur Penetration des Prüfstücks und seiner Verpackung ausreicht.
Ist die ausreichende Lichtintensität notwendigerweise die einzige Lösung, wenn Materialien in Durchlicht-Anwendungen penetriert werden sollen? Gibt es andere Möglichkeiten? Betrachtet man das sichtbare Spektrum und den angrenzenden Bereich (Abb. 3), stellt man fest, dass sich weißes oder für das menschliche Auge sichtbares Licht hinsichtlich der Wellenlänge im Bereich von 400 nm bis etwa 700 nm befindet. UV-Licht liegt im Bereich 400 nm bis 200 nm und IR-Licht im Bereich oberhalb von 700 nm.
Zu dieser Hintergrundinformation ist noch anzumerken, dass eine direkte Korrelation zwischen der Wellenlänge des Lichts und der Penetrationsfähigkeit besteht; daher kann in Hinterleuchtungsanwendungen Licht mit einer größeren Wellenlänge, wie z. B. rotes oder IR-Licht, ein Material tiefer durchdringen als blaues Licht.
Dieser Effekt wird in der folgenden Anwendung deutlich: Es wurden die oberflächenmontierten Durchlicht-LED-Leuchten BL040401-660 (rot) und BL040401-880 (nahes IR) für eine halbtransparente bestückte Leiterplatte verwendet (Abb. 4a bzw. 4b), um zu testen, wie gut jede einzelne Wellenlänge das Material tatsächlich penetrierte. Im Ergebnis definiert das IR-Licht mit 880 nm die Bahnen in der Leiterplatte besser als das rote Licht mit 660 nm.
Doch woher weiß man, ob das IR-Licht für die Kamera nicht einfach intensiver war oder die Kamera vielleicht empfindlicher auf IR-Licht reagierte? Bei einer näheren Untersuchung der Bilder der Leiterplatte fällt ein Loch im oberen Teil der Leiterplatte auf. Hier ist zu erkennen, dass das rote Licht (mit kürzerer Wellenlänge) so hell war, dass es im Vergleich zum IR-Licht mit 880 nm die Lochränder zum Fluoreszieren brachte. Obwohl die Kamera sensibler auf das rote Licht reagierte, penetrierte das IR-Licht die Leiterplatte eindeutig besser.
Eine ähnliche Tendenz bei der Penetration lässt sich bei der Prüfung des Glühfadens einer Glühlampe beobachten. Dies wird durch eine Reihe von Bildern verdeutlicht, die mit blauer (470 nm), roter (660 nm) und IR (880 nm)-Hinterleuchtung aufgenommen wurden (Abb. 5a, b und c). Blaues Licht penetriert das Glas und die Diffusor-Beschichtung der Glühlampe nicht; das rote Licht zeigt einige Details des Glühfadens, während das IR-Licht deutlich die meisten nützlichen Details für die Prüfung wiedergibt.
Nachdem nun festgehalten werden kann, dass entweder Lichtintensität oder Wellenlänge für die Hinterleuchtung von durchscheinenden Materialien nützlich sein kann, ist hier noch anderes zu berücksichtigen? Penetriert Licht mit längerer Wellenlänge immer besser oder kann die Farbe des Prüfstücks die Lichtpenetration in ähnlicher Weise wie die Lichtreflexion beeinflussen?
Eine weitere häufige Anwendung ist die Prüfung des Flüssigkeitsstandes in Flaschen. In diesem Fall enthält eine farbige Glasflasche klares Kölnischwasser. Wird mit der am häufigsten verwendeten Farbe Rot hinterleuchtet, wird deutlich, dass das Licht die Flasche nicht durchdringt (Abb. 6a). Auf der Grundlage der Erkenntnis, dass Licht mit längerer Wellenlänge besser penetriert, wird zu einem IR-Licht von 880 nm gewechselt; doch auch dieses Licht penetriert die Flasche und den Inhalt nicht (Abb. 6b). Der Vollständigkeit halber wird auch das Licht mit der kürzesten Wellenlänge (blau) eingesetzt, und interessanterweise penetriert es die Flasche und den Inhalt gut genug, um den Füllstand der Flüssigkeit erkennen zu können, wie für die Prüfung erforderlich (Abb. 6c).
Berücksichtigt man, dass die Farbe des Prüfstücks auch die Transmission von Licht mit bestimmter Wellenlänge beeinflussen kann, lässt sich in diesem Fall korrekt schließen, dass die Flasche aus blauem Glas besteht. Außerdem lässt sich daraus nicht nur ableiten, dass farbige feste Objekte das Licht derselben Farbe effektiver reflektieren, sondern auch, dass farbige durchscheinende Objekte Licht derselben Farbe in ähnlicher Weise durchlassen.
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