Intelligente Optik-Systeme: Inspektion von mehreren Flächen eines Prüfteils

In der Bildverarbeitung ist es keine Seltenheit, dass mehrere Seiten eines Objekts gleichzeitig geprüft werden müssen. Beispielsweise kann es bei der Flascheninspektion notwendig sein, den Umfang eines Gefäßes zu erfassen, um den Flaschenhals auf Fehler zu untersuchen. Häufig wird diese Art von Inspektionsaufgaben durch den Einsatz von Multi-Kamera-Systemen gelöst, die an bestimmten Stellen innerhalb der Arbeitsstation platziert werden. Obwohl diese Systeme generell effektiv arbeiten, ist ihr Einsatz relativ teuer und reduziert in einigen Fällen die Leistung des Gesamtsystems. Auch andere Verfahren, beispielsweise der Einsatz von Zeilenkameras, ermöglichen die Prüfung ganzer Oberflächen. Allerdings bringen solche Systeme ebenfalls technische und wirtschaftliche Nachteile mit sich, denn die Prüfteile müssen meist heller beleuchtet werden, und es muss eine Rotation von Kamera oder Prüfteil stattfinden. Deshalb suchen Systementwickler oft nach Ein-Kamera-Lösungen, bei denen einerseits keine Zusammensetzung des gesamten Objektbildes aus Einzelbildern notwendig ist (wie bei Multi-Kamera-Systemen) und die andererseits ohne Prüfteil- bzw. Kamera-Rotation auskommen. Zur Realisierung solcher Systeme können verschiedene Objektive und Optik-Kombinationen verwendet werden; z.B. perizentrische Objektive, spezielle Objektive zur Lochinspektion, Multi-Spiegel-Systeme oder optische Sonden. Objekte auf Förderbändern Muss die Außenfläche eines Objekts auf einem Förderband geprüft werden, können Multi-Kamera-Systeme häufig nicht eingesetzt werden, da benachbarte Teile die Sicht auf die Seiten des Prüfteils behindern. Durch den Einsatz von perizentrischen Objektiven mit nur einer Kamera kann jedoch sowohl die Oberseite als auch ein 360°-Bild von der Außenfläche des Objektes aufgenommen werden. Das resultierende Bild zeigt die Seitenflächen um das Bild der Oberseite gruppiert an (Bild 1). Solche perizentrischen Systeme vereinfachen die Systemintegration, da die Prüfteile ungehindert unter dem Kamera-Objektiv-System bewegt werden können. Bei Bedarf können die Außenflächen mit geeigneter Software linear transformiert werden. Multi-Spiegel-Systeme Zur Inspektion weiterer Seiten eines Prüfteils bieten sich Multi-Spiegel-Systeme an. Bei diesem Ansatz wird das Objekt durch eine Anordnung von Spiegeln und einem telezentrischen Objektiv betrachtet. Hierbei erhält man vier oder mehr Seitenansichten des Prüfteils (Bild 2). Dadurch, dass ein telezentrisches Objektiv eingesetzt wird, werden alle Bilder gleichmäßig vergrößert, können gematcht und verarbeitet werden. Eine Variante dieser Methode, die mehrere Seitenansichten eines Prüfteils liefert, ist der Einsatz von PolyView-Objektiven. Die Multi-Spiegel-Systeme liefern vier, sechs, acht oder noch mehr Ansichten desselben Objektes mit nur einer Aufnahme. Damit eignen sich solche Systeme für Inspektionsaufgaben, bei denen die Innen- und Außenflächen eines Objektes geprüft werden müssen – wie beispielsweise Dichtungs- oder Sicherungsringe. Dadurch dass die Innen- und Außenflächen gleichzeitig aufgenommen werden, sind alle relevanten Informationen in einem einzigen Bild verfügbar (Bild 3). Bohrungen und Hohlräume prüfen Wenn Bohrungen oder Hohlräume im Allgemeinen geprüft werden müssen, gibt es spezielle optische Lösungen, die einfacher und effektiver sind und eine kompaktere Bauform haben. Wie perizentrische Objektive auch können diese Optiken Bilder von runden Oberflächen darstellen. Durch ihren großen Bildwinkel sind detaillierte Aufnahmen von sowohl den Innenseiten des Bohrlochs als auch dessen Grund möglich, ohne dass eine optische Sonde eingesetzt werden muss. Die Prüfung erfolgt komplett von außerhalb des Lochs (Bild 4). Erfassen von Innenwänden Trotz der vielseitigen Einsatzmöglichkeiten dieser Optiken können z.B. bei Gewinden manche Details der Innenwände nicht erfasst werden. In solchen Fällen muss zusätzlich ein Endoskop in das Prüfteil eingeführt werden. Dabei werden flexible Faseroptiken, d.h. Bündel von Lichtleitern, zur Übertragung der Bilder aus dem Loch an die Kamera verwendet. Allerdings begrenzt die maximale Anzahl der Fasern, die ein solches Bündel enthalten kann, die mögliche Auflösung. Wenn hochauflösende Bilder erforderlich sind, bedarf es einer direkten optischen Verbindung mit der Kamera. Eine solche kann über optische Sonden hergestellt werden. Diese bestehen aus Makro-Objektiven, die die Innenwände des Lochs durch einen sphärischen oder asphärischen Spiegel abbilden (Bild 5). Sehr kleine Defekte finden Bei sehr kleinen Defekten in einem Hohlraum sind jedoch eine viel höhere optische Vergrößerung und ein kleineres Bildfeld notwendig. Da nur Teile der Innenfläche in einem einzelnen Bild aufgenommen werden können, muss die Sonde sowohl über die Tiefe des Lochs verfahren als auch um die eigene Achse rotieren, um ein 360° Bild zu liefern. Hierfür benötigt man neben einem genauen Positionierungssystem für die Bewegungen der Sonde auch spezielle Software zum Bildabgleich, da das Gesamtabbild des Lochs mehrere Einzelbilder beinhaltet, die durch das Scannen der Innenfläche über die Tiefe des Lochs entstehen. Optik-Systeme für hohe Ansprüche Intelligente Optik-Systeme können effektive Lösungen sein, wenn eine vollständige Erfassung von Objekten gefordert ist. Im Vergleich zu Multi-Kamera-Systemen ist der Zeit-, Material- und damit Kostenaufwand um ein Vielfaches geringer. Zudem können sie häufig auch dort verwendet werden, wo die Platzverhältnisse den Einsatz von Multi-Kamera-Systemen nicht erlauben.