• Optische Filter

    Optische Filter

    Das Wesentliche sehen - Störeinflüsse ausblenden

Polarisationsfilter zur Vermeidung von Glanz, Spiegelung und Reflexen

Diese Filter sind in der Lage, Reflexionen zu vermeiden, die bei der Verwendung von nicht perfekt diffusen Beleuchtungsquellen oft zwangsläufig entstehen. Reflexe können selbst auf dunkelsten, glänzenden Materialien wie total weiße Bildbereiche erscheinen, die dann Prüfmerkmale überdecken und somit eine erfolgreiche Inspektion verhindern können.

Störende Reflektionen können vermieden werden auf:

  • Flüssigkeitsoberflächen, wie Wasser etc.
  • Glasoberflächen
  • glatte spiegelnde Kunststoff-Oberflächen
  • metallisch glänzende Materialien

Will man in der industriellen Bildverarbeitung störende Reflexe unterdrücken, so muss in der Regel ein Polfilter vor das Kameraobjektiv UND eine Polarisationsfolie vor die Beleuchtung gebracht werden.

 

Prinzip der Polarisation

Das Licht kann als elektromagnetische Welle angesehen werden, bei dem der elektromagnetische Vektor transversal (rechtwinklig) zur Ausbreitungsebene schwingt. Das unpolarisierte Licht selbst kann dabei ebenfalls in allen Richtungen schwingen. Bringt man einen Polarisationsfilter in den Strahlengang, ist dieser in der Lage, bestimmte Schwingungsrichtungen des Lichts zu absorbieren. Dazu sind chemische Farbstoff-Moleküle im Filtermaterial räumlich so ausgerichtet, dass sie entlang ihrer Molekülstruktur Licht absorbieren können und andere Schwingungsebenen durchlassen. Bei linear polarisiertem Licht schwingt der elektromagnetische Vektor nur in einer einzigen Ebene, alle anderen Richtungen wurden vom Filter absorbiert.

Prinzip eines Polarisationsfilters

Werden zwei Filter hintereinander  angeordnet und um 90 Grad zueinander verdreht, wird kein Licht durchgelassen, ist ihre Absorptionsrichtung zueinander identisch, wird eine Schwingungsebene des Lichts durchgelassen. Zwei Polfilter können also auch einen Neutralgraufilter ersetzen. Je nach Stellung der beiden Polfilter kann eine stufenlose Verdunklung des Bildes erreicht werden.

Polarisiertes Licht kann auf verschiedene Weise erzeugt werden:

  • Polarisation durch Reflexion: Gerade auf nichtmetallischen Oberflächen, wie Glas, Flüssigkeiten und Kunststoffen (dielektrische Materialien) kann das Licht beim Auftreffen unter einem bestimmten Winkel an der Oberfläche der Materialien natürlich polarisiert werden. Bei einem Austrittswinkel von 30 bis 50 Grad (Brewster-Winkel αp=arctan(n);   n=Brechungsindex Material) tritt dieser Effekt der Polarisation besonders auf. Die Schwingungsrichtung des dabei entstehenden polarisierten Lichts ist parallel zur Oberfläche ausgerichtet. Wird der Polarisationsfilter vor der Optik so angeordnet, dass dieses polarisierte Licht gesperrt wird, kann der Reflex unterdrückt und der unpolarisierte Hintergrund wieder besser sichtbar gemacht werden: Lichtreflexe auf Glasscheiben, Wasseroberflächen oder glänzenden Kunststoffoberflächen verschwinden. Durch die Verwendung von bereits polarisiertem Licht (Polfilterfolie zusätzlich vor der Beleuchtung) kann dieser Effekt verstärkt werden. Die beiden Polfilter müssen dabei um 90 Grad zueinander verdreht sein. In der Praxis wird der Filter am Objektiv einfach so lange gedreht, bis die Wirkung zufriedenstellend ist. Auf metallischen Oberflächen wird das Licht nicht polarisiert, sondern gespiegelt. Hier ist unbedingt erforderlich, einen Polfilter auf Beleuchtung und Optik zu montieren, um störende Lichtspiegelungen zu unterdrücken.
  • Polarisation durch Absorption: Wie eben beschrieben können polymere Farbstoff-Moleküle entlang ihres chemischen Grundgerüsts Licht absorbieren. Bestimmte Schwingungsebenen bleiben so erhalten. Das Licht wird dadurch polarisiert. Dieser Effekt wird für Polfilter eingesetzt, bei dem solche Farbstoffschichten zwischen zwei Gläser eingebettet werden. Auch Kunststofffolien können durch solche organischen Moleküle zu flexiblen Polfolien verarbeitet werden.
  • Polarisation durch  Streuung: feinste Staub- und Aerosolteilchen sind ebenfalls in der Lage, das Licht zu polarisieren. Dies wird bei der Natur-Fotografie ausgenutzt: Das Himmelslicht ist polarisiert, ein einziger Polfilter auf dem Objektiv reicht, um eine Sperrung des bereits in eine Richtung schwingenden Lichtes zu erzielen. Als Folge erscheint der Himmel dunkler und damit deutlich blauer.

Polarisationsfilter haben keinen Einfluss auf die Farben des inspizierten Bildes. Sie sind daher für Farb- wie für Monochromkameras geeignet.

 

Polarisation im Auflicht

Reflexe auf Kunststoffen können wirksam unterdrückt werden. Dabei muss eine polarisierte Beleuchtung und ein Polfilter auf dem Objektiv eingesetzt werden, um störende Reflexe zu unterdrücken. Der Einsatz dieser Methode erfordert allerdings Licht im Überschuss, da sehr Licht durch die Filter absorbiert wird. Dies kann bei LED-Beleuchtungen zum Beispiel durch den Einsatz eines LED-Blitzcontrollers ausgeglichen werden.

Das Prinzip der Reflex-Unterdrückung auf glatten nichtmetallischen Oberflächen wie Kunststoffen, Glas und Wasser basiert darauf, dass das Licht beim Auftreffen unter einem bestimmten Winkel an der Oberfläche der Materialien polarisiert wird. Bei einem Austrittswinkel von 30 bis 50 Grad (Brewster-Winkel) tritt dieser Effekt der Polarisation besonders auf. Wird der Polarisationsfilter vor der Optik so angeordnet, dass dieses polarisierte Licht gesperrt wird, kann der unpolarisierte Hintergrund wieder besser sichtbar gemacht werden: Lichtreflexe auf den Oberflächen verschwinden.

Normales Auflicht

Normales Auflicht

Trotz diffusem Auflicht sind viele Lichtreflexe auf der bunt bedruckten Tüte.
Polarisiertes Auflicht

Polarisiertes Auflicht

Polfilter auf Beleuchtung + Optik vermeidet Reflexe auf Verpackungsfolie

Auch transparente Folien können starke Glanzeffekte im Auflicht erweisen. Gerade bei Umverpackungen, wie Schrumpffolien, Tüten, Blisterpackungen etc. ist eine Inspektion der eigentlichen Packungsinhalte kaum sinnvoll möglich. Abhilfe schafft ebenfalls eine Kombination aus Polfilter auf Beleuchtung und Optik.

Normales Auflicht

Normales Auflicht

Trotz diffusem Auflicht sind viele Lichtreflexe auf der zerknitterten Pastiktüte.
Polarisiertes Auflicht

Polarisiertes Auflicht

Polfilter auf Beleuchtung + Optik vermeidet Reflexe auf Kunststoff-Folie und Metallen

Metallglanz auf metallischen Oberflächen kann durch den Einsatz einer polarisierten Beleuchtungsquelle und einem Polfilter unterdrückt werden. Die Metallteile erscheinen im Kamerabild sehr dunkel. Besonders nicht plane Objekte wie zylindrische, gewölbte Metalloberflächen oder zerknitterte Folien (Alublister etc.)sind in der Regel kaum oder sehr schwierig homogen auszuleuchten. Je nach Lage der Prüfobjekte im Inspektionsbereich können diese Reflexe stark auf der Oberfläche "wandern". Ein angelerntes Objekt sieht dann schnell anders aus: es kommt zu Fehlinspektionen. Durch den Einsatz dieser Beleuchtungs- und Filtertechnik werden diese Schwierigkeiten vermieden.

Normales Auflicht

Normales Auflicht

Trotz diffusem Auflicht sind viele Lichtreflexe auf denn metallischen Bauteilen. Gerade in der Robotik und beim Code lesen etc. kann dies zu vielen Problemen führen.
Polarisiertes Auflicht

Polarisiertes Auflicht

Polfilter auf Beleuchtung + Optik polarisiert die Oberfläche der Metalle dunkel

 

Polarisation im Durchlicht

Ein spezieller Effekt ist der Einsatz der Polarisation im Durchlicht. Dabei wird ein Polfilter auf der Hintergrundbeleuchtung, ein anderer auf der Optik angebracht und anschließend so eingeregelt, dass eine Totalsperrung des Lichtes eintritt: Das Bild erscheint komplett dunkel. Werden nun optisch aktive Materialien durchleuchtet, drehen diese die Schwingungsebene des polarisierten Lichts weiter, es kommt zu einer Aufhellung. Harte transparente Kunststoffe können so sichtbar gemacht werden, die kaum im Durchlicht identifizierbar wären. Beispiele hierfür sind transparente Flaschen und Behälter (Spülmittelflaschen etc.) oder eingesetzte Display-Fenster (z.B. Anwesenheitsprüfung Displayanwesenheit in einer Telefon-Oberschale etc.).

normales Durchlicht

normales Durchlicht

Leicht getöntes transparentes Teil erzeugt geringe Kontrastwerte
Durchlicht polarisiert

Durchlicht polarisiert

Durchlicht mit Polfolie und Filter auf Optik erzeugt gute Kontraste. Materialstress sichtbar

 

Ebenfalls deutlich sichtbar werden auch Materialspannungen im Kunststoff (Fachgebiet der Spannungsoptik). Die Spannungsoptik mit Polarisatoren ermöglicht es, Spannungsverläufe
transparenten Objekten, z.B. spritzgegossenen Kunststoffen zu analysieren. Auch Einschlüsse im Material und Fehlstellen in Folien, gegossener wie auch gezogener Kunststoffe wie transparente PET-Flaschen etc. verursachen Spannungen, die so untersucht werden können.

Durchlicht unpolarisiert

Durchlicht unpolarisiert

Durchlicht polarisiert

Durchlicht polarisiert

 

 

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