Triggern und Stroben von Machine Vision Beleuchtung

In einem Machine Vision System bestimmt das Timing der Beleuchtung oft, ob eine Inspektion scharf, reproduzierbar und zuverlässig funktioniert. Viele LED Beleuchtungen können direkt an 24 V DC angeschlossen werden, und für einfache oder langsame Anwendungen kann eine kontinuierliche Beleuchtung ausreichend sein. In vielen industriellen Inspektionen ist dies jedoch nicht die optimale Art, Licht zu nutzen.

Die Kamera benötigt das Licht nur während der effektiven Belichtungszeit des Sensors. Außerhalb dieses kurzen Moments trägt die Beleuchtung nichts zum Bild bei, während die LEDs weiterhin Strom verbrauchen und Wärme erzeugen. Diese Wärme beeinflusst die Lebensdauer der LEDs und kann die Lichtleistung weniger stabil machen. Deshalb wird Machine Vision Beleuchtung in vielen Anwendungen getriggert oder gestrobt.

SPS und Sensor bleiben wichtig, aber nicht als direkte Strobe Quelle

Wenn die SPS die Kamera und die Beleuchtung gleichzeitig triggert, kann der Lichtpuls zu früh oder zu spät kommen. Bei langen Belichtungszeiten fällt das manchmal nicht auf, aber bei kurzen Stroben im Mikrosekundenbereich führt dies schnell zu schwankender Helligkeit, dunklen Bildern oder instabilen Messungen.

In der Praxis überwacht die SPS oder der Produktsensor also die Maschinenposition, während die Kamera das Lichttiming bestimmt. Der Beleuchtungscontroller folgt dem Exposure Ausgang der Kamera und nicht direkt dem Maschinenzyklus. Dies ist besonders wichtig bei kurzen Belichtungszeiten, schnellen Förderbändern, Overdrive Strobing und Anwendungen mit Global Shutter Kameras, bei denen jedes Bild unter denselben Lichtbedingungen aufgenommen werden muss.

Warum kontinuierliche Beleuchtung technisch begrenzt ist

Kontinuierliche Beleuchtung ist einfach. Die LED Beleuchtung wird an eine Stromversorgung angeschlossen und bleibt eingeschaltet, solange die Maschine läuft. Der Nachteil ist, dass die durchschnittliche Leistung hoch bleibt, auch wenn die Kamera nur während eines kleinen Teils der Zeit Bilder aufnimmt.

Dies hat zwei Folgen. Erstens wird Energie verschwendet. Wichtiger ist jedoch, dass die LEDs kontinuierlich thermisch belastet werden. LEDs verlieren mit zunehmendem Alter an Lichtleistung, und eine höhere Betriebstemperatur beschleunigt diesen Prozess. Bei kompakten Ringbeleuchtungen, Dome Beleuchtungen oder leistungsstarken Linienbeleuchtungen kann die Wärmeabfuhr zum begrenzenden Faktor werden.

Getriggerte Beleuchtung reduziert die durchschnittliche Belastung. Die LEDs geben nur während der Bildaufnahme Licht ab. Dadurch bleibt die Beleuchtung kühler, die Lebensdauer wird verlängert und die Lichtleistung bleibt stabiler. Diese Stabilität ist wichtig in der Bildverarbeitung, weil Schwellwerte, Kantenerkennung, OCR und Kontrastmessungen von reproduzierbaren Grauwerten abhängen.

Bewegungsunschärfe bestimmt die maximale Belichtungszeit

Bei bewegten Produkten kann die Belichtungszeit nicht frei gewählt werden. Ein Produkt auf einem Förderband bewegt sich während der Belichtung weiter. Wenn diese Verschiebung im Verhältnis zur Auflösung auf der Objektebene zu groß wird, entsteht Bewegungsunschärfe. In Machine Vision wird dies häufig als Pixel Smear bezeichnet.

Die praktische Beziehung lautet:

Bewegungsunschärfe in Pixeln = Produktgeschwindigkeit × Belichtungszeit / Objektauflösung pro Pixel

Daraus folgt:

maximale Belichtungszeit = zulässige Unschärfe in Pixeln × Objektauflösung pro Pixel / Produktgeschwindigkeit

Angenommen, eine Kamera sieht 0,1 mm pro Pixel auf dem Produkt und maximal 0,5 Pixel Bewegungsunschärfe sind akzeptabel. Bei einer Produktgeschwindigkeit von 1 m/s, also 1000 mm/s, ergibt sich die maximale Belichtungszeit:

0,5 × 0,1 mm / 1000 mm/s = 0,00005 s = 50 µs

Das bedeutet, dass die Kamera in nur 50 Mikrosekunden genügend Licht erhalten muss. Eine kontinuierlich leuchtende Beleuchtung ist in dieser Situation oft nicht leistungsstark genug, es sei denn, die Blende wird weit geöffnet oder der Kameragain stark erhöht. Beide Lösungen haben Nachteile. Eine größere Blendenöffnung verringert die Schärfentiefe, während mehr Gain Rauschen hinzufügt und die Messzuverlässigkeit reduziert.

Beleuchtung, Kamera und Objektiv müssen gemeinsam ausgewählt werden

Das Beispiel zeigt, warum Beleuchtung, Kamera und Objektiv immer als ein System bewertet werden müssen. Eine höhere Auflösung bedeutet oft kleinere Pixel oder ein Objektiv mit höherer Vergrößerung. Dadurch steigt der Lichtbedarf. Eine kürzere Belichtungszeit verhindert Pixel Smear, erfordert aber mehr Licht in einem kürzeren Zeitfenster.

Auch die Blende des Objektivs spielt eine wichtige Rolle. Eine kleinere Blendenöffnung verbessert die Schärfentiefe, lässt aber weniger Licht durch. Dadurch wird eine leistungsstarke Beleuchtung oder eine Strobe Lösung schneller notwendig. Die richtige Auswahl beginnt daher nicht mit maximaler Lichtintensität, sondern mit Bewegung, Auflösung, Belichtungszeit und erforderlicher Schärfentiefe.

Strobing macht kurze Belichtungszeiten praktisch erreichbar

Beim Strobing wird die LED Beleuchtung für einen kurzen Puls eingeschaltet. Der Puls wird vom Beleuchtungscontroller mit dem Exposure Ausgang der Kamera synchronisiert. Dadurch fällt das Licht genau in das Zeitfenster, in dem der Sensor Photonen sammelt.

Der Vorteil ist, dass die Lichtenergie in der Bildaufnahme konzentriert wird. Statt kontinuierlich Licht abzugeben, liefert die Beleuchtung kurze und reproduzierbare Pulse. Das reduziert die durchschnittliche Leistung und macht es einfacher, scharfe Bilder von bewegten Objekten aufzunehmen.

Das Timing bleibt dabei kritisch. Der Lichtpuls muss lang genug sein, um die vollständige Belichtung abzudecken, aber nicht unnötig lang. Ein zu kurzer Puls verursacht Unterbelichtung oder Schwankungen zwischen Bildern. Ein zu langer Puls erhöht die Duty Cycle und begrenzt die Möglichkeit, sicher mehr Strom durch die LEDs zu schicken.

Der Beleuchtungscontroller wird Teil des Vision Systems

Bei schnellen Anwendungen ist der Beleuchtungscontroller nicht nur ein Zubehörteil, sondern ein funktionaler Bestandteil des Vision Systems. Der Controller bestimmt, wann die Beleuchtung einschaltet, wie lange der Puls dauert, mit welchem Strom die LEDs angesteuert werden und innerhalb welcher thermischen Grenzen das System sicher bleibt.

Die Wahl des Beleuchtungscontrollers hat dadurch direkten Einfluss auf Bildschärfe, LED Lebensdauer und Systemstabilität. Dies gilt besonders für Anwendungen mit hohen Liniengeschwindigkeiten, kurzen Belichtungszeiten oder stark reflektierenden Produkten, bei denen kleine Lichtschwankungen sofort im Bild sichtbar werden.

Overdrive Strobing für mehr Licht aus derselben LED Beleuchtung

Neben Standard Triggercontrollern gibt es auch Overdrive Strobe Controller. Diese schicken für kurze Zeit mehr Strom durch die LEDs, als im kontinuierlichen Betrieb zulässig wäre. Dadurch erzeugt die Beleuchtung vorübergehend mehr Licht. In der Praxis kann dies oft etwa zwei bis drei Mal mehr Licht liefern, abhängig von Beleuchtung, Controller, Pulsdauer und Duty Cycle.

Overdrive Strobing ist besonders nützlich, wenn die maximale Belichtungszeit sehr kurz ist. Statt die Belichtung zu verlängern und Bewegungsunschärfe zu akzeptieren, wird die Lichtintensität während der kurzen Belichtung erhöht. Das Bild bleibt scharf, während die Kamera weniger Gain benötigt und das Objektiv nicht unnötig weit geöffnet werden muss.

Overdrive Strobing erfordert sichere Begrenzung

Overdrive Strobing hat klare Grenzen. Nicht jede LED Beleuchtung ist für erhöhten Spitzenstrom geeignet. Der maximale Strom, die maximale Pulsdauer und die maximale Duty Cycle müssen aus der Dokumentation der Beleuchtung entnommen werden. Wenn zu viel Strom über einen zu langen Zeitraum durch die LEDs fließt, kann die Beleuchtung ausfallen oder schneller degradieren.

Ein häufiger Fehler ist, nur auf den Spitzenstrom zu achten. Die thermische Belastung wird jedoch durch Strom, Pulsdauer und Wiederholfrequenz gemeinsam bestimmt. Ein Puls von 100 µs bei einem Bild pro Sekunde ist thermisch etwas völlig anderes als derselbe Puls bei 500 Bildern pro Sekunde. Deshalb muss ein Overdrive Strobe System immer auf Anwendungsebene bewertet werden und nicht nur auf Komponentenebene.

Warum Beleuchtung und Controller vorzugsweise zusammenpassen sollten

Viele moderne Controller können die angeschlossene Beleuchtung beim Start messen oder erkennen. Auf dieser Basis begrenzen sie den Strom über die Zeit. Das macht Overdrive Strobing sicherer, weil der Controller verhindert, dass der Benutzer außerhalb der sicheren Grenzen der LED Beleuchtung arbeitet.

Dies ist ein wichtiger Grund, Controller und Beleuchtung vorzugsweise vom selben Hersteller oder aus demselben System zu wählen. Der Hersteller kennt die elektrischen und thermischen Grenzen der Beleuchtung und kann den Controller entsprechend darauf abstimmen. Bei separaten Kombinationen muss der Engineer selbst prüfen, ob Strom, Pulsdauer, Duty Cycle, Steckverbinder und Schutzfunktionen korrekt zusammenpassen.

In der Praxis reduziert eine passende Kombination das Risiko von Schäden und verkürzt die Inbetriebnahme. Das ist besonders relevant bei Maschinen, bei denen Rezepte wechseln, Liniengeschwindigkeiten variieren oder Bediener später Einstellungen ändern.

DCM iBlue Beleuchtungen mit integrierter Strobe Ansteuerung

Bei DCM Beleuchtungen mit iBlue Drive ist der Beleuchtungscontroller in die Beleuchtung integriert. Das vereinfacht den Systemaufbau, weil kein separater Controller zwischen Stromversorgung, Kamera und Beleuchtung benötigt wird. Die Kamera kann die Beleuchtung direkt über ein Trigger oder Strobe Signal ansteuern, während die interne Elektronik die LED Belastung überwacht.

Der automatische Modus ist besonders wertvoll, wenn maximale Lichtleistung benötigt wird, ohne dass der Benutzer alle Strom und Duty Cycle Einstellungen manuell berechnen muss. Der iBlue Drive passt die Ansteuerung an den Triggerzyklus der Anwendung an und versucht, innerhalb sicherer Grenzen möglichst viel Licht zu liefern.

Für technische Einsteiger reduziert dies das Risiko falscher Einstellungen. Für erfahrene Benutzer liegt der Hauptvorteil darin, dass die Beleuchtung schneller und reproduzierbarer eingestellt werden kann. Über Software können automatische Funktionen deaktiviert sowie Belichtungszeit und Strom manuell eingestellt werden, wenn die Anwendung dies erfordert.

TMS Beleuchtungen mit externen Beleuchtungscontrollern

TMS Beleuchtungen werden häufig mit externen Beleuchtungscontrollern kombiniert. Das bietet mehr Freiheit im Systemaufbau, besonders wenn mehrere Beleuchtungen, höhere Leistungen oder spezifische Strobe Einstellungen erforderlich sind. Der Nachteil ist, dass der Engineer mehr Verantwortung für die richtige Kombination aus Controller und Beleuchtung trägt.

Der Controller muss genügend Strom liefern können, darf die Beleuchtung aber nicht außerhalb ihrer sicheren Grenzen ansteuern. Außerdem muss er zur gewünschten Pulsdauer, Triggerfrequenz und Duty Cycle passen. Ein Controller, der für eine kleine Ringbeleuchtung geeignet ist, ist nicht automatisch für eine leistungsstarke Linienbeleuchtung geeignet. Umgekehrt kann ein leistungsstarker Controller gefährlich sein, wenn er ohne korrekte Begrenzung an eine kleinere Beleuchtung angeschlossen wird.

Der Vorteil von TMS mit externem Controller liegt vor allem in der Flexibilität. Bei schnellen Anwendungen kann ein kurzer und starker Puls verwendet werden, um Bewegungsunschärfe zu vermeiden. Bei Inspektionen mit mehreren Beleuchtungswinkeln können verschiedene Kanäle separat angesteuert werden. In komplexeren Setups kann der Controller Teil einer Beleuchtungsstrategie werden, bei der jedes Bild unter exakt denselben Lichtbedingungen aufgenommen wird.

Mehrkanal Controller für Farbe und Segmentansteuerung

Neben einfachen Trigger und Strobe Controllern gibt es auch Mehrkanal Controller. Sie werden verwendet, wenn verschiedene LED Farben oder verschiedene Segmente einer Beleuchtung separat angesteuert werden müssen. Das ist technisch relevant, weil nicht jeder Defekt mit derselben Wellenlänge oder Beleuchtungsrichtung sichtbar wird.

Ein Kratzer auf einer glänzenden Oberfläche kann mit schräger Segmentbeleuchtung besser sichtbar werden. Ein Farbunterschied kann stärker auf rotes, blaues oder infrarotes Licht reagieren. Ein Reliefdefekt kann sichtbar werden, indem bewusst Schatten aus einer Richtung erzeugt wird. Der Controller ermöglicht es dann, Licht nicht nur als Ein und Aus Funktion zu verwenden, sondern als aktives Messwerkzeug.

Die Einschränkung besteht darin, dass Mehrkanal Ansteuerung zusätzliche Timing Komplexität erzeugt. Wenn mehrere Farben oder Segmente nacheinander gestrobt werden, muss die Kamera mehrere Bilder aufnehmen oder genau wissen, welcher Kanal zu welchem Bild gehört. Bei hohen Transportgeschwindigkeiten kann dies die maximale Inspektionsgeschwindigkeit begrenzen. Die zusätzliche Kontrastinformation muss daher gegen Zykluszeit, Datenvolumen und Softwarekomplexität abgewogen werden.

Eine gute Beleuchtungswahl beginnt bei der Anwendung

Die richtige Entwurfsreihenfolge beginnt mit der Bewegung und der erforderlichen Auflösung, nicht mit der nominalen Lichtintensität der Beleuchtung. Zuerst muss klar sein, wie schnell sich das Produkt bewegt, wie viele Millimeter pro Pixel erforderlich sind und wie viel Bewegungsunschärfe akzeptabel ist. Daraus ergibt sich die maximale Belichtungszeit. Erst danach kann bestimmt werden, wie viel Licht benötigt wird und ob kontinuierliche Beleuchtung, Triggern oder Overdrive Strobing erforderlich ist.

Diese Reihenfolge verhindert falsche Komponentenentscheidungen. Eine Kamera mit höherer Auflösung kann attraktiv erscheinen, hat aber möglicherweise kleinere Pixel und benötigt dadurch mehr Licht. Ein Objektiv mit größerer Schärfentiefe erfordert häufig eine kleinere Blendenöffnung und damit eine stärkere Beleuchtung. Eine kürzere Belichtung verhindert Pixel Smear, macht aber einen Strobe Controller oder Overdrive Beleuchtung wahrscheinlicher.

In der Praxis führt dies zu besseren Vision Systemen und besseren Hardwareentscheidungen. Nicht weil die teuerste Beleuchtung automatisch die beste ist, sondern weil Beleuchtung, Controller, Kamera und Optik als ein System ausgewählt werden. Dadurch wird verhindert, dass eine Anwendung während der Tests an Unschärfe, Rauschen, thermischer Drift oder zu geringer Lichtreserve scheitert.

Fazit: Beleuchtung ist Teil der Timing Architektur

Triggern und Stroben machen Machine Vision Beleuchtung zu einem präzisen Teil der Bildaufnahme. Die SPS oder der Produktsensor bestimmt meistens, wann ein Produkt vorhanden ist, aber in den meisten Systemen sollte die Kamera bestimmen, wann die Beleuchtung tatsächlich einschaltet. Nur dann fällt der Lichtpuls zuverlässig mit der Belichtung des Sensors zusammen.

Kontinuierliche Beleuchtung kann bei einfachen Anwendungen funktionieren, aber bei bewegten Produkten, kurzen Belichtungszeiten und hohen Inspektionsgeschwindigkeiten ist eine getriggerte oder gestrobte Lösung oft notwendig. Overdrive Strobing macht kurze Belichtungszeiten praktisch erreichbar, aber nur, wenn Strom, Pulsdauer und Duty Cycle sicher kontrolliert werden.

DCM iBlue Beleuchtungen bieten eine integrierte Lösung, bei der die Strobe Ansteuerung in der Beleuchtung eingebaut ist. TMS Beleuchtungen mit externen Controllern bieten mehr Flexibilität für Systeme mit spezifischen Leistungsanforderungen, Kanälen oder Beleuchtungsstrategien. In beiden Fällen gilt dasselbe technische Prinzip: Die Beleuchtung muss zur Kamera, zum Objektiv, zur Produktbewegung und zum Timing der Anwendung passen.

Ein zuverlässiges Machine Vision System entsteht nicht dadurch, dass einfach mehr Licht hinzugefügt wird. Es entsteht dadurch, dass Licht exakt im richtigen Moment, mit der richtigen Intensität und innerhalb sicherer elektrischer Grenzen eingesetzt wird.