Beleuchtung

Merkmale & Fehler sichtbar machen

IR-Beleuchtung

Unter Infrarotstrahlung versteht man den Wellenlängenbereich von ca. 780 nm bis 1 mm, also 1.000.000 nm (und grenzt dort an den derzeit viel diskutierten Bereich der Terahertzstrahlung, die in so genannten Bodyscannern eingesetzt wird).

IR-Strahlung wird oft auch als Wärmestrahlung bezeichnet. In der industriellen Bildverarbeitung liegen die meisten Anwendungen jedoch im nahen Infrarot, das den Spektralbereich von 780 bis 3000 nm umfasst.

Welche Hardware zum Inspizieren im IR?

Der Bereich zwischen 780 und 1000 nm kann noch mit normalen monochromen CMOS-Kameras inspiziert werden, deren Empfindlichkeit dort zwar zunehmend abnimmt, aber prinzipiell ausreichend ist.

Für längerwellige IR-Bereiche müssen Peltier-gekühlte Sensoren und spezielle Halbleitermaterialien (InGaAs) eingesetzt werden. Kameras zur Auswertung des mittleren IR-Bereichs werden als Wärmebildkameras bezeichnet. Auch die Optiken bestehen hier nicht mehr aus normalen Gläsern, sondern aus Materialien wie z.B. Germanium.

Eine gute Alternative sind inzwischen die Sony-Sensoren der SenSWIR-Familie (IMX 990 / IMX991/ IMX992/ IMX 993) mit einer Empfindlichkeit von 400-1700 nm mit einer Auflösung bis zu 5 Megapixeln.

Für einfache IR-Anwendungen mit "Standardkameras" werden daher bevorzugt LEDs im Bereich von ca. 870 oder 950 nm eingesetzt. Bei der längeren Wellenlänge ist zwar eine geringere Streuung an der Oberfläche und damit eine bessere Durchleuchtung des Prüflings zu erwarten, jedoch nimmt die Empfindlichkeit des üblichen CMOS-Kamerasensors deutlich ab.

Typische Spektren von IR-LEDs für die Bildverarbeitung

Warum mit infraroter Strahlung inspizieren?

Längerwellige Strahlung schwingt als elektromagnetische Strahlung weniger häufig als kurzwellige Strahlung und zeigt daher weniger Wechselwirkung mit der Materie.

Sie kann daher weiter in das Material eindringen und erzeugt weniger Oberflächenreflexionen als kurzwelliges Licht. Objekte können mit IR-Strahlung manchmal sogar durchleuchtet werden.

Da IR-Strahlung für den Menschen nicht sichtbar ist, eignet sie sich besonders für Arbeitsplätze, an denen normales Licht besonders störend wäre.

Oberflächeneffekte bei Verwendung von IR- und UV-Strahlung

Typische Inspektionsmöglichkeiten mit IR-Beleuchtung

Durchlichtinspektion von nicht vollständig transparenten, sondern eingefärbten Materialien, die im IR keine Eigenfarbe mehr aufweisen und durchsichtig(er) werden.
Oberflächeninspektion trotz Bedruckung oder leichter Verschmutzung: Druckfarben werden bis auf Schwarz unsichtbar, Risse und Oberflächenfehler können erkannt werden.
OCR-Anwendungen auf Banknoten, Kreditkarten etc. Achtung: InkJet-Schrift (Haltbarkeitsdatum etc.) oft nicht mehr sichtbar!
Anwendungen wie gewohnt, aber in Kombination mit einem Tageslichtsperrfilter kann nun unabhängig vom Raumlicht gearbeitet werden.
Applikationen wie gewohnt ohne Beeinträchtigung des Bedienpersonals z.B. an Handarbeitsplätzen

Konventionelle Beleuchtungen vs. IR-Beleuchtung

Tageslicht - RGB

Farbbild. Tageslicht-Aufnahme zum Vergleich

Tageslicht - Mono8

Tageslicht. Normale Grautöne. Helle Farben erscheinen hell, die dunklen Farben sind normal dunkel

IR-LED mit 890nm

Alle sichtbaren Farben verschwinden auf Geld und Kreditkarte mit Ausnahme von Schwarz und spez. Sicherheitsmerkmalen

Tageslicht - RGB

Farbbild. Tageslicht-Aufnahme zum Vergleich

IR-LED mit 890nm

Alle sichtbaren Farben mit Ausnahme von Schwarz, sehr dunklen Farben mit Schwarzbeimengungen und Metallicfarben verschwinden

Tageslicht - Mono8

Tageslicht. Normale Grautöne. Helle Farben erscheinen hell, die dunklen Farben sind normal dunkel

Wichtig für die Bildverarbeitung

Infrarote Strahlung ist für das menschliche Auge nicht sichtbar. Zwar ist IR-Strahlung energetisch nicht sehr energiereich, kann aber auf lange Zeitdauer auch zu Kopfweh, Erwärmung der Rezeptoren im menschlichen Auge und damit zu einer Schädigung führen. Dies geschieht jedoch nur bei sehr intensiven Lichtquellen, direktem Blick in die Beleuchtung und über Stunden hinweg. Bei kleineren industriellen LED-Beleuchtungen trifft dies üblicherweise nicht zu. Eine Einhausung des Prüfbereichs ist aus vielerlei Gründen immer zu empfehlen und löst solche Probleme. Bitte informieren Sie sich ausführlich (z.B. DIN EN 12198, DIN EN 14255-2 und BGI 5006) !
Takten Sie industrielle IR-Beleuchtungen, falls dieses möglich ist. So werden unnötige Lichtemissionen und auch Sicherheitsdiskussionen (!) vermieden. Einige wenige Inspektionen pro Sekunde mit wenigen Millisekunden Betriebsdauer sind normalerweise absolut harmlos.
Der Einsatz von schmalbandigen Bandpassfiltern oder Farbfiltern verhindert Störlichteinflüsse durch Tageslicht.
IR-korrigierte, optimierte Objektive erzeugen perfekte Bilder. Normale Standardobjektive sind für infrarotes Licht nicht korrigiert, die Brennweite für diese für das Auge unsichtbare Strahlung kann bedingt durch die chromatische Aberration erheblich abweichen. Auch Optikvergütungen müssen in ihrer spektralen Transmission entsprechend angepasst sein. Beides kann sonst zu verwaschenen Bildern führen.
Bitte achten Sie darauf, dass sich in der Kamera kein IR-Cut-Filter befindet. Meistens kann dieser dann gegen eine Klarglas-Variante ersetzt werden (da sich sonst die Abbildungsmaßstäbe der Optik ändern).
Beachten Sie die Sensor-Empfindlichkeit bei der von Ihnen verwendeten Kamera. Dort kann es erhebliche Unterschiede geben. Ideal ist der Einsatz spezieller IR-Kamera.
Achtung: Applikationen mit polarisiertem Licht und Polarisationsfiltern vor der Optik sind mit infraroter Strahlung fast NICHT realisierbar, da Polarisationsfolien typischerweise zwischen 400 bis 750 nm eine Filterwirkung zeigen. Polarisationsfilter für IR-Strahlung sind extrem teuer!
Achtung: Tintenstrahl-Drucke (Verfallsdatum) auf Lebensmitteln etc. sowie Drucke auf Thermo-Papier (wie Kassenzettel etc.) verschwinden einfach im Kamerabild bei der Beleuchtung mit infraroter Strahlung.

Farbbild

Das Bild enthält Farbinformationen des sichtbaren Lichtspektrums.

Infrarot-Bild

Im IR verschwinden typischerweise farbige Aufdrucke. Aber hier ist auch das Schwarz verschwunden.

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