07.11.2013
Von: David Schreiber, Claudius Piske

Watt statt Lumen als Intensitätsmaß

Welche Wellenlänge sollte die LED-Beleuchtung für ein bestimmtes BV-System haben?

Dome-Beleuchtungen der Serien "vicolux SFD30/9" und "vicolux SFD42/12"

Für die meisten Bildverarbeitungs-Aufgaben lässt sich schnell eine geeignete Kameralösung mit der dazu passenden Optik finden. Auch die passende Beleuchtungsgröße und Geometrie ist oft bekannt oder schon vorgegeben. Doch nicht selten bleibt die Frage: "Welche Wellenlänge ist die geeignetste?" Dieser Beitrag zeigt, wie sich die nicht trivialen Größen der Lichttechnik durch geeignete Katalogangaben einfach und vergleichbar anwenden lassen.

Seitdem in der industriellen Bildverarbeitung fast ausschließlich LED-Beleuchtungen zum Einsatz kommen, hat die Frage, welche Wellenlänge am geeignetsten sei, eine große Bedeutung. Durch ihre schmalbandige spektrale Intensitätsverteilung kann die LED je nach Farbe sehr unterschiedlich auf den Empfänger wirken. Bei der Betrachtung mit dem menschlichen Auge muss beispielsweise eine rote LED etwa dreieinhalbmal mehr Lichtleistung emittieren, um genauso hell zu wirken wie eine grüne LED. Das Helligkeitsempfinden ist bei grünem Licht am größten, wie die Empfindlichkeitskurve für Tagessehen zeigt (Abbildung 1). Das Maximum mit 683 lm/W liegt bei einer Wellenlänge von 555 nm.

Abbildung 1: Darstellung der spektralen Empfindlichkeitsunterschiede des Auges und einer Auswahl von Standardbildsensoren für die industrielle Bildverarbeitung

Das "Auge" des Bildverarbeitungs-Systems

Mit dem Auge vergleichbar ist auch der Empfänger des Bildverarbeitungssystems, speziell der Bildsensor. Die eingesetzten CCD- und CMOS-Sensoren weisen ebenfalls eine spektral verteilte Empfindlichkeit auf, die sich mit der des Auges teilweise überschneidet. Lediglich die Bandbreite des Fotoeffekts der Silizium-Chips ist größer als die der Fotorezeptoren unserer Retina. Bei LED-Bauteilen und -Beleuchtungen ist die Helligkeitsangabe für den visuellen (sichtbaren) Bereich in der Einheit Lumen (Im) üblich, also als fotometrische Größe. Die Angabe in Lumen entstammt dem Haupteinsatzgebiet der LEDs, dem sogenannten "Allgemeingebrauch für Beleuchtungszwecke", bei dem das Licht vom Menschen wahrgenommen bzw. genutzt wird. In der industriellen Bildverarbeitung ist das sichtbare Licht aber als Teil des elektromagnetischen Spektrums zu betrachten und die Intensität des Lichts folglich in der entsprechenden radiometrischen Größe, etwa in Watt (W), anzugeben. Die Vision & Control GmbH gibt im Produktkatalog sowohl die radiometrische als auch die fotometrische Größe an. Nur so lassen sich auch die folgenden Parameter berücksichtigen, die Einfluss auf die resultierende Bildhelligkeit des Bildverarbeitungssystems haben:

  • Effizienz der Beleuchtung
  • Spektrale Intensitätsverteilung der LED
  • Reflektion bzw.Transmission des Prüfobjekts
  • Spektrale Transmission des Objektivs
  • Spektrale Empfindlichkeit des Bildsensors

Die Beleuchtung spektral und radiometrisch zu betrachten, ist auch bei der Bewertung der Augensicherheit erforderlich, die für alle "vicolux"-Beleuchtungen im Hause Vision & Control nach DIN EN 62471 durchgeführt wird.

Anwendungsszenario

Besonders bei Hochgeschwindigkeits-Inspektionen kann die Wahl der "richtigen Wellenlänge" entscheidend sein, um hohe Beleuchtungs-lntensitäten zu erreichen. In sehr kurzer Zeit muss der Bildsensor ausreichend belichtet werden. Die folgende Bildverarbeitungsaufgabe soll die Auswirkungen eines Wechsels der Wellenlänge auf den verwendeten Bildsensor darstellen. ln einem Pharmaunternehmen werden kleine Fläschchen (Vials) aus farblosem Glas mit einer ebenfalls farblosen Flüssigkeit gefüllt. Aufgabe der Bildverarbeitung ist hier, den Füllstand zu kontrollieren und die Verkippung der Abdeckkappe zu ermitteln. Im Zuge eines Umbaus der Anlage soll die Bildverarbeitungseinheit für doppelte Taktgeschwindigkeit optimiert werden. Auflösung und Genauigkeit des Gesamtsystems sollen dabei erhalten bleiben.

Beleuchtungsvergleich am Gesamtsystem

Abbildung 2 zeigt den Helligkeitsvergleich der Durchlichtbeleuchtung "vicolux FDL60x90" in verschiedenen Wellenlängen - Blau, Grün, Rot und Infrarot - auf dem Sony-Bildsensor ICX204AL im Dauerlicht. Der Standard-CCDSensor ist dem Auge in seiner spektralen Empfindlichkeit sehr ähnlich. Die Beleuchtung wird in jeder Wellenlänge mit einer Leistung von 6 W betrieben. Als Objektiv dient ein entozentrisches Objektiv mit einer Brennweite von 25 mm. Die Fläschchen sind mit Kappe etwa 50 mm hoch, haben einen Durchmesser von etwa 15 mm und werden im Abstand von 15 mm zueinander auf einem Transportsystem gehalten. Damit ergibt sich ein Abbildungsmaßstab von 1:3, um das Objekt vollständig zu inspizieren. Der Takt der Befüllung beträgt etwa 600 Vials pro Minute, woraus sich eine Bandgeschwindigkeit von ungefähr 0,3 m/s ergibt. Um die maximal erlaubte Bewegungsunschärfe von etwa 30 µm einzuhalten (im Bild zirka 10 µm), darf der Sensor maximal 100 µs belichtet werden. Für derart kurze Belichtungszeiten eignet sich die Beleuchtung "vicolux FDL60x90" im Blitzmodus. Die "vicolux"-Beleuchtungen sind standardmäßig sowohl im Blitz- als auch im Dauerbetrieb einsetzbar.

Bei einer Vergleichsmessung der Beleuchtungen im Blitzbetrieb, mit gleichem Sensor und Objektiv (angepasste Blendeneinstellung), ergeben sich die Helligkeiten aus Abbildung 2 Mitte. Die LEDs der infraroten Beleuchtung, hier mit der Peak-Wellenlänge 850 nm, lassen sich bei kurzen Blitzzeiten deutlich heller betreiben als die rote Version. Bei der infraroten Beleuchtung steigt die Intensität somit schneller als bei der roten.

Abbildung 2: Vergleich der Durchlichtbeleuchtung "vicolux FDL60x90" in vier verschiedenen Farben, aufgenommen mit dem CCD-Sensor ICX204AL von Sony - oben im Dauerbetrieb, in der Mitte im 100µs-Blitzbetrieb. Unten aufgenommen mit CMOS-Sensor MT9V034, ebenfalls im Blitzbetrieb mit 100µs. (Laboraufnahmen mit nicht bewegten Prüfteilen)

Wenn das Bildverarbeitungssystem einen CCD-Sensor hat, empfiehlt es sich also, rotes Licht einzusetzen, um einen maximalen Grauwert im resultierenden Bild zu erreichen. Falls das System mit einem CMOS-Sensor ausgestattet ist, kann es dagegen sinnvoller sein, die infrarote Beleuchtung zu wählen. Abbildung 2 unten zeigt den Vergleich von vier Beleuchtungsfarben, aufgenommen mit dem CMOS-Sensor MT9V034 (ebenfalls 1/3Zoll). Die Empfindlichkeit von CMOS-Sensoren ist, relativ gesehen, im nahen Infrarotbereich (z.B. bei IR 850 nm) wesentlich höher als die von CCD-Sensoren. (Die ermittelten Faktoren sind Richtwerte und können sich beispielsweise durch neue LED-Chargen ändern.)

Vergleich bei anderen LED-Typen

Die Ergebnisse aus dem Anwendungsbeispiel sind jedoch differenziert zu betrachten. Besonders bei blauen lnGaN-Chips als Grundlage weißer LEDs, vor allem Power-LEDs, zeigt sich in den letzten Jahren eine beachtliche Effizienzsteigerung etwa durch hocheffiziente Dünnfilm-Techniken. Ursprüngliche Vorreiter wie lnGaAIP-Chips für rote LEDs werden inzwischen in ihrer Effizienz erreicht und übertroffen. Beispielhaft hierfür sind die Dome-Beleuchtungen der Serien "vicolux SFD30/9" und "vicolux SFD42/12".

Durch den Einsatz von Power-LEDs ergeben sich beim Helligkeitsvergleich markante Unterschiede zu der im vorherigen Abschnitt betrachteten Beleuchtung. Die rote Beleuchtung dieser Serie erreicht in einem typischen Arbeitsabstand von 5 mm eine Beleuchtungsstärke von 58 klx, während bei der weißen Ausführung 98 klx gemessen werden. Umgerechnet in die entsprechende radiometrische Einheit, ergeben sich für Rot 325 W/qm und für Weiß 319 W/qm. Dieser Wert belegt die enorme Effizienzsteigerung im Verhältnis zur roten Beleuchtung.

Der Vergleich in Abbildung 3 zeigt, dass im Gegensatz zum ersten Beispiel die weiße Beleuchtungsversion bei einem CCD-Sensor heller ist und das blaue Licht etwa zum gleichen Ergebnis wie das rote führt.

Abbildung 3: Helligkeitsvergleich von vier Beleuchtungsfarben der Serien "vicolux SFD30/9" und "vicolux SFD42/12" (Power-LEDs), gemessen mit verschiedenen Empfängern

Für Vergleiche zwischen dem CCD- und CMOS-Sensor ist zu beachten, dass die Verstärkung des Sensorsignals in der Kamera unterschiedlich sein kann und bei den obigen Betrachtungen mit einer normierten Quanteneffizienz gerechnet wurde.

Fazit

"Trau Deinen Augen nicht!" Der Vergleich fotometrischer Größen wie auch das subjektive Bild- bzw. Helligkeitsempfinden unterscheidet sich teils stark von dem, was die Kamera im Bildverarbeitungssystem "sieht".

Daher ist es ratsam, Intensitätsabschätzungen prinzipiell in radiometrischen Größen durchzuführen. Vision & Control unterstützt dabei sowohl durch radiometrische als auch durch fotometrische lntensitätsangaben. Bei der Auswahl der geeignetsten Beleuchtungswellenlänge für Standardsensoren hilft der zusätzlich angegebene CCD- und CMOS-Vergleichswert. Für jeden abweichenden Sensor lässt sich mit Hilfe des Beleuchtungsspektrums und der Quanteneffizienz des Sensors der relative Sensoreffekt ebenfalls schnell und problemlos ermitteln. (ak)

erschienen in Markt&Technik 43/2013