Um mit Ringlichtern richtungsbezogene Lichtinformationen für die Bildverarbeitung erzeugen zu können, wird der Ring in fest verdrahtete Beleuchtungssegmente unterteilt (typischerweise vier oder acht). Die Ansteuerung und Synchronisation der Kamera mit den x-Segmenten erfolgt dann separat für jedes Segment durch einen LED-(Mehrkanal-)Controller. Nachteilig sind dabei der erhöhte Platzaufwand und die benötigte Hardware, sowie der Arbeitsaufwand für Installation und Einbindung in die Steuerungssoftware sowie die schwierige Synchronisation von Trigger, Kamera und Beleuchtung. Vor allem diese Nachteile machten es bisher schwer und teuer, richtungsbezogene Lichtinformationen, generiert durch Segmentringlichter, in der Breite für 3D-Bildverarbeitungsaufgaben nutzbar zu machen.
Analogtechnik kann Grenzen nicht überschreiten
Die LumiSens-Technologie wurde mit dem Ziel entwickelt, die für innovative Beleuchtungen notwendige Signalverarbeitung auf digitales Niveau zu heben. Die Beseitigung systembedingter Mängel analoger LED-Controller eröffnete gleichzeitig zahlreiche neue, bisher nicht realisierbare digitale Features. Der digitale Ansatz setzt darauf, durch sehr schnelle digitale Regelungsalgorithmen ein Maximum an Langzeitstabilität, Konstanz der Leistungsdaten sowie ein präzises Timing zu erreichen. Grundlegendes Entwicklungsziel war, dass sich mit dem Controller Dauer-, Puls- und Segmentbetrieb realisieren lassen. Bedingt durch die steile Strom-/Spannungskennlinie von LEDs, werden die einzelnen LED-Segmente mit einer FPGA-basierten Plug&Play-Technologie digital stromgeregelt angesteuert. Das garantiert eine maximale Konstanz von 99 Prozent (Puls zu Puls) und Langzeitstabilität der Lichtmenge. Sie ermöglicht geringes Jitter von <6ns sowie die hochgenaue und reproduzierbare Synchronisation zwischen Trigger, Bildaufnahme und Beleuchtungspuls in 20ns Schritten (Bild 2).
Voraussetzung zum Erreichen dieser Kennwerte ist die ständige Kommunikation von LED-Controller und Beleuchtung. Diese liefert die im integrierten Light-Sensor-Processor engmaschig erfassten Betriebsparameter der Beleuchtung (Strom, Spannung, Temperatur, Helligkeit) an den Controller. Zur Vermeidung von Überlastung werden diese Daten kontinuierlich mit den im digitalen Typenschild der Beleuchtung hinterlegten Grenzwerten und Kennlinienfeldern verglichen. Bei Überschreitungen wird gewarnt bzw. abgeschaltet. Das maximiert die LED-Lebensdauer. Das Condition Monitoring der Betriebsdaten erlaubt es, die Beleuchtungen langfristig schadfrei und mit maximalem Output an Lichtleistung bis an ihre physikalische Belastungsgrenze arbeiten zu lassen. Weitere Schutzfunktionen unterstützen den Anwender bei der Installation gegen Falschparametrierung und Überlastung.
Die durchgängig digitale Technologie ermöglicht zudem die exakt reproduzierbare Einstellung aller elektrischen, lichttechnischen und zeitlichen Parameter. Zur Integration der Ringbeleuchtung in Maschinensteuerungen können Betriebsparameter über WLAN per Webinterface, App oder API eingestellt werden. Zusammengefasst liegen Sie als digitaler Datensatz vor, der die Beleuchtung vollumfänglich beschreibt. Auf Grundlage dieses Datensatzes lassen sich erstmalig digitale Beleuchtungsklone mit identischen Eigenschaften realisieren.
Schnelle Segmentumschaltung
Um ein Ringlicht im Segmentmodus betreiben zu können, muss der digitale LED-Einkanal-Beleuchtungscontroller vollständig die Kontrolle über die Triggerung der Kamera und die Synchronisation der Ansteuerung der Segmente der Ringbeleuchtung übernehmen. Dazu muss vorab parametriert oder eingestellt werden, welche Segmentkombination in den einzelnen Schritten leuchten soll. Die Folge der einzelnen Schritte ergibt eine Sequenz. Diese kann maximal aus 16 Schritten bestehen und sowohl im Einzelschrittbetrieb als auch im Automatikbetrieb ablaufen. Einzelschrittbetrieb bedeutet, dass jeder Triggerpuls aus der Maschinensteuerung einen Sequenzschritt startet. Im Automatikbetrieb startet ein Triggerpuls den Ablauf der gesamten Sequenz. Standardmäßig werden die LED-Controller per App parametriert. Sind LED-Beleuchtungen in Maschinen verbaut, bietet eine App die komfortable Möglichkeit, alle Beleuchtungsparameter über WLAN remote einzustellen und zu testen.
Die Ablaufgeschwindigkeit der Sequenz sollte die maximale Framerate moderner CMOS-Kameras nicht beschränken. Nur so können fortschrittliche Beleuchtungstechniken zur neigungsmessenden Bildauswertung (Shape-from-Shading, photometrisches Stereo) 3D-Bilddaten in Echtzeit liefern. Gleichzeitig ist es aber notwendig, dass von den einzelnen Segmenten zeitlich und lichtenergetisch identische Lichtpulse erzeugt werden. Auch hier wird wieder die digitale Regelungstechnik aktiv und erreicht Segmentumschaltfrequenzen von 10kHz bei konstanter Lichtenergie von Segment zu Segment sowie präziser Synchronisation
Fotometrisches Stereo an Pharmaverpackung
Abhängig vom Lichteinfall entstehen auf der Oberfläche von Prüfobjekten Schatten, die auf Berge oder Täler hinweisen. Die Helligkeitsverläufe der Schatten geben Aufschluss über die Steilheit und Richtung der Höhenunterschiede der Übergänge. Je nach Auflösung des Systems können große, aber auch sehr kleine Änderungen, Unebenheiten oder Oberflächenfehler erkannt werden. Betrachtet wird in Bild 1 die Braille-Schrift (Blindenschrift) auf einer Pharmaverpackung, überlagert durch Bedruckung und Lichteinflüsse. Die Beleuchtung erfolgt mit einem Segmentringlicht. Für die Auswertung wichtig ist, dass die Braille-Schrift unabhängig von der Bedruckung der Schachtel maschinenlesbar ist.