In een machine vision systeem bepaalt de timing van de belichting vaak of een inspectie scherp, reproduceerbaar en betrouwbaar werkt. Veel LED belichtingen kunnen rechtstreeks op 24 V DC worden aangesloten, en voor eenvoudige of langzame toepassingen kan continu belichten voldoende zijn. Toch is dit in veel industriële inspecties niet de optimale manier om licht te gebruiken.
De camera heeft het licht alleen nodig tijdens de effectieve belichtingstijd van de sensor. Buiten dat korte moment draagt de belichting niets bij aan het beeld, terwijl de LED’s wel stroom verbruiken en warmte produceren. Die warmte beïnvloedt de levensduur van de LED’s en kan de lichtopbrengst minder stabiel maken. Daarom wordt machine vision belichting in veel toepassingen getriggerd of gestrobed.
Waarom de camera meestal de belichtingscontroller moet triggeren
Een belangrijk punt in de systeemarchitectuur is dat de belichtingscontroller meestal niet rechtstreeks door de PLC of productsensor wordt getriggerd. De sensor of PLC kan wel de opname starten, maar de belichting wordt bij voorkeur door de camera geschakeld.
De correcte triggerketen ziet er in veel vision systemen als volgt uit:
- sensor, PLC of encoder naar camera trigger input
- camera exposure output naar belichtingscontroller
- belichtingscontroller naar LED belichting
De reden is dat de camera exact weet wanneer de sensor daadwerkelijk belicht. Een PLC of productsensor weet alleen dat een productpositie is bereikt, maar niet wanneer de camera intern start met de exposure. Tussen een extern triggersignaal en de werkelijke belichting van de sensor kunnen vertragingen zitten door trigger delay, exposure instellingen, sensortiming en interne verwerking van de camera.
PLC en sensor blijven belangrijk, maar niet als directe strobebron
Als de PLC tegelijk de camera en de belichting triggert, kan de lichtpuls te vroeg of te laat vallen. Bij lange sluitertijden valt dat soms niet op, maar bij korte strobes van microseconden leidt dit snel tot variabele helderheid, donkere beelden of instabiele metingen.
In praktijk bewaakt de PLC of productsensor dus de machinepositie, terwijl de camera de lichttiming bepaalt. De belichtingscontroller volgt de exposure output van de camera en niet rechtstreeks de machinecyclus. Dit is vooral belangrijk bij korte sluitertijden, snelle transportbanden, overstroben en toepassingen met global shutter camera’s waarbij elke opname onder dezelfde lichtcondities moet worden gemaakt.
Waarom continu belichten technisch beperkt is
Continu belichten is eenvoudig. De LED belichting wordt aangesloten op een voeding en blijft aan zolang de machine draait. Het nadeel is dat het gemiddelde vermogen hoog blijft, ook wanneer de camera maar een klein deel van de tijd beelden maakt.
Dat heeft twee gevolgen. Ten eerste wordt energie verspild. Belangrijker is dat de LED’s continu thermisch worden belast. LED’s verliezen lichtopbrengst naarmate ze ouder worden, en een hogere bedrijfstemperatuur versnelt dat proces. Bij compacte ringlichten, dome lights of krachtige lijnbelichtingen kan warmteafvoer de beperkende factor worden.
Een getriggerde belichting verlaagt de gemiddelde belasting. De LED’s geven alleen licht tijdens de opname. Daardoor blijft de belichting koeler, wordt de levensduur verlengd en blijft de lichtoutput stabieler. Die stabiliteit is belangrijk bij beeldverwerking, omdat drempelwaarden, randdetectie, OCR en contrastmetingen afhankelijk zijn van reproduceerbare grijswaarden.
Bewegingsonscherpte bepaalt de maximale belichtingstijd
Bij bewegende producten is de sluitertijd niet vrij te kiezen. Een product op een transportband beweegt tijdens de exposure door. Als die verplaatsing te groot wordt ten opzichte van de resolutie op het objectvlak, ontstaat bewegingsonscherpte. In machine vision wordt dit vaak pixel smear genoemd.
De praktische relatie is:
bewegingsonscherpte in pixels = productsnelheid × belichtingstijd / objectresolutie per pixel
Daaruit volgt:
maximale belichtingstijd = toegestane onscherpte in pixels × objectresolutie per pixel / productsnelheid
Stel dat een camera 0,1 mm per pixel ziet op het product en maximaal 0,5 pixel bewegingsonscherpte acceptabel is. Bij een productsnelheid van 1 m/s, dus 1000 mm/s, wordt de maximale belichtingstijd:
0,5 × 0,1 mm / 1000 mm/s = 0,00005 s = 50 µs
Dat betekent dat de camera in slechts 50 microseconden genoeg licht moet ontvangen. Een continu brandende belichting is dan vaak niet krachtig genoeg, tenzij het diafragma ver wordt geopend of de cameragain sterk wordt verhoogd. Beide oplossingen hebben nadelen. Een groter diafragma verkleint de scherptediepte, terwijl meer gain ruis toevoegt en de meetbetrouwbaarheid verlaagt.
Belichting, camera en objectief moeten samen worden gekozen
Het voorbeeld laat zien waarom belichting, camera en objectief altijd als één systeem moeten worden beoordeeld. Een hogere resolutie vraagt vaak kleinere pixels of een sterker vergrotend objectief. Dat verhoogt de lichtbehoefte. Een kortere sluitertijd voorkomt pixel smear, maar vraagt meer licht in een korter tijdvenster.
Ook het diafragma van het objectief speelt een belangrijke rol. Een kleiner diafragma verbetert de scherptediepte, maar laat minder licht door. Daardoor wordt een krachtige belichting of strobe oplossing sneller noodzakelijk. De juiste keuze begint dus niet bij maximale lichtsterkte, maar bij beweging, resolutie, sluitertijd en gewenste scherptediepte.
Strobing maakt korte belichtingstijden praktisch haalbaar
Bij strobing wordt de LED belichting gedurende een korte puls ingeschakeld. De puls wordt door de belichtingscontroller gesynchroniseerd met de exposure output van de camera. Daardoor valt het licht precies in het tijdvenster waarin de sensor fotonen verzamelt.
Het voordeel is dat de lichtenergie geconcentreerd wordt in de opname. In plaats van continu licht te geven, levert de belichting korte en reproduceerbare pulsen. Dat verlaagt het gemiddelde vermogen en maakt het eenvoudiger om scherpe beelden te maken van bewegende objecten.
De timing blijft hierbij kritisch. De lichtpuls moet lang genoeg zijn om de volledige exposure te dekken, maar niet onnodig lang. Een te korte puls geeft onderbelichting of variatie tussen beelden. Een te lange puls verhoogt de duty cycle en beperkt de mogelijkheid om veilig meer stroom door de LED’s te sturen.
De belichtingscontroller wordt onderdeel van het vision systeem
Bij snelle toepassingen is de belichtingscontroller niet alleen een accessoire, maar een functioneel onderdeel van het vision systeem. De controller bepaalt wanneer de belichting aangaat, hoe lang de puls duurt, met welke stroom de LED’s worden aangestuurd en binnen welke thermische grenzen het systeem blijft werken.
De keuze voor een belichtingscontroller heeft daardoor direct invloed op beeldscherpte, LED levensduur en systeemstabiliteit. Dit geldt vooral bij toepassingen met hoge lijnsnelheden, korte exposure tijden of sterk reflecterende producten waarbij kleine variaties in licht direct zichtbaar worden in het beeld.
Overstroben voor meer licht uit dezelfde LED belichting
Naast normale triggercontrollers bestaan er overstrobescontrollers. Deze sturen gedurende een korte periode meer stroom door de LED’s dan bij continu gebruik toegestaan zou zijn. Daardoor geeft de belichting tijdelijk meer licht. In praktijk kan dit vaak ongeveer twee tot drie keer zoveel licht opleveren, afhankelijk van de belichting, controller, pulsduur en duty cycle.
Overstroben is vooral nuttig wanneer de maximale belichtingstijd zeer kort is. In plaats van de exposure te verlengen en bewegingsonscherpte te accepteren, wordt de lichtintensiteit tijdens de korte exposure verhoogd. Het beeld blijft scherp, terwijl de camera minder gain nodig heeft en het objectief niet onnodig ver geopend hoeft te worden.
Overstroben vraagt veilige begrenzing
Overstroben heeft duidelijke grenzen. Niet elke LED belichting is geschikt voor verhoogde piekstroom. De maximale stroom, maximale pulsduur en maximale duty cycle moeten uit de documentatie van de belichting worden gehaald. Als te veel stroom gedurende te lange tijd door de LED’s gaat, kan de belichting defect raken of versneld degraderen.
Een veelgemaakte fout is alleen naar de piekstroom kijken. De thermische belasting wordt bepaald door stroom, pulsduur en herhalingsfrequentie samen. Een puls van 100 µs bij één opname per seconde is thermisch iets heel anders dan dezelfde puls bij 500 opnames per seconde. Daarom moet een overstrobesysteem altijd op applicatieniveau worden beoordeeld en niet alleen op componentniveau.
Waarom belichting en controller bij voorkeur bij elkaar moeten passen
Veel moderne controllers kunnen bij het opstarten de aangesloten belichting meten of herkennen. Op basis daarvan begrenzen ze de stroom per tijdseenheid. Dat maakt overstroben veiliger, omdat de controller voorkomt dat de gebruiker buiten de veilige grenzen van de LED belichting werkt.
Dit is een belangrijke reden om controller en belichting bij voorkeur van hetzelfde merk of uit hetzelfde systeem te kiezen. De fabrikant kent de elektrische en thermische grenzen van de belichting en kan de controller daarop afstemmen. Bij losse combinaties moet de engineer zelf controleren of stroom, pulsduur, duty cycle, connectoren en beveiligingen correct passen.
In praktijk vermindert een passende combinatie het risico op schade en verkort het de inbedrijfstelling. Dat is vooral relevant bij machines waar recepturen veranderen, lijnsnelheden variëren of operators later instellingen aanpassen.
DCM iBlue belichtingen met ingebouwde strobe aansturing
Bij DCM belichtingen met iBlue drive is de belichtingscontroller in de belichting geïntegreerd. Dat vereenvoudigt de systeemopbouw, omdat er geen losse controller tussen voeding, camera en belichting nodig is. De camera kan de belichting direct via een trigger of strobe signaal aansturen, terwijl de interne elektronica de LED belasting bewaakt.
De automatische modus is vooral waardevol wanneer maximale lichtopbrengst nodig is zonder dat de gebruiker handmatig alle stroom en duty cycle instellingen hoeft te berekenen. De iBlue drive stemt de aansturing af op de triggercyclus van de applicatie en probeert binnen veilige grenzen zoveel mogelijk licht te leveren.
Voor technische beginners verlaagt dit de kans op verkeerde instellingen. Voor ervaren gebruikers is het voordeel vooral dat de belichting sneller reproduceerbaar kan worden ingesteld. Via software kunnen automatische functies worden uitgeschakeld en kunnen belichtingstijd en stroom handmatig worden ingesteld wanneer de applicatie daarom vraagt.
TMS belichtingen met externe belichtingscontrollers
TMS belichtingen worden vaak gecombineerd met externe belichtingscontrollers. Dat geeft meer vrijheid in systeemopbouw, vooral wanneer meerdere belichtingen, hogere vermogens of specifieke strobe instellingen nodig zijn. Het nadeel is dat de engineer meer verantwoordelijkheid heeft voor de juiste combinatie van controller en belichting.
De controller moet voldoende stroom kunnen leveren, maar mag de belichting niet buiten de veilige grenzen aansturen. Ook moet de controller passen bij de gewenste pulsduur, triggerfrequentie en duty cycle. Een controller die geschikt is voor een kleine ringverlichting is niet automatisch geschikt voor een krachtige lijnbelichting. Omgekeerd kan een krachtige controller gevaarlijk zijn wanneer hij zonder correcte begrenzing op een kleinere belichting wordt aangesloten.
Het voordeel van TMS met een externe controller zit vooral in flexibiliteit. Bij snelle toepassingen kan een korte en krachtige puls worden gebruikt om bewegingsonscherpte te voorkomen. Bij inspecties met meerdere belichtingshoeken kunnen verschillende kanalen apart worden aangestuurd. Bij complexere setups kan de controller onderdeel worden van een belichtingsstrategie waarbij elk beeld onder exact dezelfde lichtconditie wordt gemaakt.
Meerkanaals controllers voor kleur en segmentsturing
Naast eenvoudige trigger en strobecontrollers bestaan er meerkanaals controllers. Die worden gebruikt wanneer verschillende kleuren LED’s of verschillende segmenten van een belichting apart moeten worden aangestuurd. Dit is technisch relevant omdat niet elk defect zichtbaar wordt met dezelfde golflengte of lichtrichting.
Een kras op een glanzend oppervlak kan beter zichtbaar worden met schuine segmentbelichting. Een kleurverschil kan sterker reageren op rood, blauw of infrarood licht. Een reliëfdefect kan juist zichtbaar worden door bewust schaduw te creëren vanuit één richting. De controller maakt het dan mogelijk om het licht niet alleen aan en uit te schakelen, maar actief als meetinstrument te gebruiken.
De beperking is dat meerkanaals aansturing extra timingcomplexiteit toevoegt. Wanneer meerdere kleuren of segmenten na elkaar worden gestrobed, moet de camera meerdere beelden maken of exact weten welk kanaal bij welk beeld hoort. Bij hoge transportsnelheden kan dit de maximale inspectiesnelheid beperken. De extra contrastinformatie moet dus worden afgewogen tegen cyclustijd, datavolume en softwarecomplexiteit.
Een goede belichtingskeuze begint bij de applicatie
De juiste ontwerpvolgorde begint bij de beweging en de vereiste resolutie, niet bij de nominale lichtsterkte van de belichting. Eerst moet duidelijk zijn hoe snel het product beweegt, hoeveel millimeter per pixel nodig is en hoeveel bewegingsonscherpte acceptabel is. Daaruit volgt de maximale belichtingstijd. Pas daarna kan worden bepaald hoeveel licht nodig is en of continu belichten, triggeren of overstroben noodzakelijk is.
Deze volgorde voorkomt verkeerde componentkeuzes. Een camera met hogere resolutie lijkt aantrekkelijk, maar kan kleinere pixels hebben en daardoor meer licht vragen. Een objectief met meer scherptediepte vraagt vaak een kleiner diafragma en dus een krachtigere belichting. Een kortere exposure voorkomt pixel smear, maar maakt een strobecontroller of overdrive belichting waarschijnlijker.
In praktijk leidt dit tot betere vision systemen en betere hardwarekeuzes. Niet omdat de duurste belichting automatisch de beste is, maar omdat belichting, controller, camera en optiek als één systeem worden gekozen. Dat voorkomt dat een applicatie tijdens tests alsnog vastloopt op onscherpte, ruis, thermische drift of onvoldoende lichtreserve.
Conclusie: belichting is onderdeel van de timingarchitectuur
Triggeren en stroben maken machine vision belichting een nauwkeurig onderdeel van de opname. De PLC of productsensor bepaalt meestal wanneer een product aanwezig is, maar de camera moet in de meeste systemen bepalen wanneer de belichting daadwerkelijk inschakelt. Alleen dan valt de lichtpuls betrouwbaar samen met de exposure van de sensor.
Continu belichten kan werken bij eenvoudige toepassingen, maar bij bewegende producten, korte sluitertijden en hoge inspectiesnelheden is een getriggerde of gestrobte oplossing vaak noodzakelijk. Overstroben maakt korte belichtingstijden praktisch haalbaar, maar alleen wanneer stroom, pulsduur en duty cycle veilig worden bewaakt.
DCM iBlue belichtingen bieden een geïntegreerde oplossing waarbij de strobe aansturing in de belichting zit. TMS belichtingen met externe controllers geven meer flexibiliteit voor systemen met specifieke vermogens, kanalen of belichtingsstrategieën. In beide gevallen geldt dezelfde technische basis: de belichting moet passen bij de camera, het objectief, de beweging van het product en de timing van de applicatie.
Een betrouwbaar machine vision systeem ontstaat niet door simpelweg meer licht toe te voegen. Het ontstaat door licht exact op het juiste moment, met de juiste intensiteit en binnen veilige elektrische grenzen te gebruiken.
