Blitzlicht in der Industrie: Auf was sollten Sie achten?
Werden wenige wichtige Punkte beachtet, sind der Einsatz und die Integration einer Blitzbeleuchtung ebenso einfach, wie die einer permanenten oder geschalteten Lichtquelle:
1. Synchronisation von Bildaufnahme und Blitz
Der wichtigste Punkt bei der Integration einer Blitzbeleuchtung ist die Synchronisation der Bildaufnahme zur Blitzbeleuchtung. Die Beleuchtung liefert in einem kurzen Zeitraum von maximal 750 µs einen sehr energiereichen Lichtblitz. Um das gesamte Licht einzufangen ist es notwendig, die Bildaufnahme und den Blitz der Beleuchtung exakt aufeinander abzustimmen. Eine Herangehensweise wäre, die Belichtungszeit der Kamera so lang zu wählen, dass der Lichtblitz auf jeden Fall in dieses Zeitfenster fällt. Dadurch wären aber alle Vorteile wie die Eliminierung von Fremdlicht und Bewegungsunschärfe hinfällig. Darum ist es notwendig, die Belichtungszeit der Kamera in Dauer und Zeitpunkt des Auslösens exakt an die Blitzbeleuchtung anzupassen, bei einer Blitzlänge von 220 µs sollte die Belichtungszeit der Kamera auch 220 µs betragen.
Um dies zu realisieren, stellen viele Kamerahersteller einen höchstpriorisierten Blitzausgang zur Verfügung. Durch die Priorisierung des Blitzausgangs wird gewährleistet, dass das Blitzsignal immer synchron zur Bildaufnahme gesendet wird. Eine Verzögerung durch andere Rechenprozesse der Kamera ist nicht möglich. Andernfalls könnte es passieren, dass die Beleuchtung ihr Signal erst nach der Bildaufnahme erhält. Das Bild wäre dadurch nicht ausreichend bzw. gar nicht belichtet.
Ein solcher spezieller Blitzausgang ist im Gegensatz zu Standard-SPS-Ausgängen auch hinsichtlich der Signalqualität optimiert. Sowohl Jittern als auch Toleranzen im Triggertiming sind soweit minimiert, dass sie im Signalverlauf kaum ins Gewicht fallen.
Je nach Kameratyp erfolgt dann der Anschluss der Beleuchtung an die Kamera und die spezifischen Einstellungen in der Ansteuerung. Sollten Sie Hilfe beim Anschluss einer LUMIMAX® LED Beleuchtung an Ihr Kamerasystem benötigen, helfen wir Ihnen gern weiter.
2. Bewertung der Bewegungsunschärfe anhand der Geschwindigkeit des Prüfobjekts sowie der Länge des Blitzimpulses bzw. der Belichtungszeit
Die Bewegungsunschärfe im Bild ist sowohl abhängig von der Objekt- bzw. Bahngeschwindigkeit v als auch von der Blitzdauer t. Anhand der zulässigen Bewegungsunschärfe im Bild und der Geschwindigkeit können Sie die maximale Blitzdauer tmax kalkulieren.
Dazu berechnen Sie zunächst die zulässige Objektverschiebung, also den Weg, den Ihr Prüfteil während der Bildaufnahme zurücklegen darf, ohne die zulässige Unschärfe im Bild zu überschreiten.
Ein Beispiel:
Auf einer Medikamentenverpackung soll ein Code gelesen werden. Die Verpackung bewegt sich mit 0,5 m/s auf einem Transportband. Der Abbildungsmaßstab |β‘| ist 1:5. Die Breite eines Pixels des verwendeten Bildaufnehmers PX‘ beträgt 5 µm. Die zulässige Unschärfe im Bild darf zwei Pixel nicht überschreiten.
Die zulässige Objektverschiebung lzul im Bild berechnet sich wie folgt:
Mithilfe der zulässigen Objektverschiebung und der Objektgeschwindigkeit kann anschließend die maximale Blitzzeit tmax berechnet werden.
Mit einer Belichtungs- bzw. Blitzzeit von 100 µs kann demzufolge gewährleistet werden, dass sich das Objekt nicht mehr als 2 Pixel im Bild bewegt.
Im nachfolgenden Video wird dieses Fallbeispiel anschaulich dargestellt:
3. Zusammenhang Bestrahlungsstärke und Belichtungszeit
Vor allem im Labor wird häufig zunächst im Permanentbetrieb getestet. Soll dann bei der Integration in die Anlage auf Blitzbetrieb umgestiegen werden, stellt sich die Frage, mit welcher Blitzzeit t eine entsprechende Helligkeit erreicht werden kann. Geht man davon aus, dass alle übrigen Einstellungen, wie Lichtempfindlichkeit des Sensors, Transmission des Objektivs und die Verstärkungsfaktoren der Kamera gleich bleiben, kann man dies mithilfe der Faktoren Bestrahlungsstärke Ε(t) und Grauwert GW berechnen:
Ein Beispiel:
Im Permanentbetrieb wurde ein Prüfteil 2200 µs mit einer Bestrahlungsstärke von 90 W/m² beleuchtet.
Im Blitzbetrieb soll dasselbe Prüfteil aufgenommen werden. Die Grauwerte im Prüfbild sollen dem des Permanentbetriebs entsprechen. Um diese Vorgabe zu erfüllen, muss berechnet werden, um welchen Faktor die Bestrahlungsstärke im Blitzbetrieb gesteigert werden muss.
Geht man von einer Belichtungszeit von 220 µs aus, ergibt sich das folgende Verhältnis:
Die Blitzbeleuchtung muss dementsprechend zehnmal heller sein als die Permanentbeleuchtung. Kann dies gewährleistet werden, ist der Einsatz einer Blitzbeleuchtung möglich, ohne einen Helligkeitsverlust in Kauf nehmen zu müssen.
Werden die soeben genannten drei Faktoren bei der Auslegung der geeigneten Blitzbeleuchtung beachtet, erleichtert dies die Integration in die Anlage. Darüber hinaus verfügen fast alle LUMIMAX® LED Blitzbeleuchtungen über eine Besonderheit, die den Einbau in die Maschinenumgebung zusätzlich vereinfacht – einen integrierten Blitzcontroller. Dieser garantiert eine größtmögliche Sicherheit und Funktionalität sowie eine kurze Integrationszeit in das BV-System. Leistungsverluste durch lange Leitungen zwischen Controller und Beleuchtung gibt es nicht. Der integrierte Controller spart zudem Platz und Kosten, da auf ein zusätzliches Modul verzichtet werden kann.
Das umfangreiche optische, elektrische und mechanische Zubehör der LUMIMAX® LED Beleuchtungen vereinfacht zusätzlich sowohl die Anpassung auf kundenspezifische Aufgabenstellungen als auch die Anbindung in die Maschinenumgebung. Die innovativen Lösungen ermöglichen eine kompakte, schnelle und einfache Integration der Beleuchtungen. Mit dem speziellen T-Adapterkabel kann die Beleuchtung direkt an das Kamerasystem angeschlossen und von diesem gesteuert werden. Das minimiert den Verdrahtungsaufwand und erleichtert die Inbetriebnahme der Komponenten. Das Adapterkabel befindet sich dabei zwischen dem elektrischen Anschluss der Kamera und der Spannungsversorgung. Darüber wird die Beleuchtung direkt in diesen Signalfluss eingekoppelt und kann sowohl ihre Stromversorgung als auch das Triggersignal von der Kamera beziehen. Dies reduziert den Konstruktions- und Montageaufwand, wodurch eine erhebliche Kostenersparnis erzielt werden kann.
Die LUMIMAX® Montagelösungen ermöglichen die direkte Montage der leistungsstarken LED Beleuchtungen an verschiedene Kameraserien von Cognex, Baumer, Keyence, SensoPart und Siemens. Die Montagevariationen lassen sich individuell anpassen und sind flexibel erweiterbar, sodass insgesamt eine exakte Anpassung von Beleuchtungswinkel und Arbeitsabstand gewährleistet ist. Damit werden Beleuchtung, Optik und Kamera zu einer kompakten Einheit.
