Multispektralkamera Mit hochgenauer Farbmessung den richtigen Farbton treffen

Ob Plastikspielzeug, Leuchten oder Fahrzeuge – Farben sind ein Qualitätsmerkmal, das jeder sehen kann. Deshalb müssen sie während der gesamten Produktion überwacht werden. Ein neuartiges Kamerasystem kann jetzt Farbfilter für noch mehr Farbinformationen kombinieren.

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Wachsende Qualitätsansprüche an alle Produktmerkmale, dazu gehören auch Farben, erfordern entsprechende Prüftechnologien – etwa die automatische optische Inspektion. Solche Geräte messen zudem einen Farbunterschied präziser als das menschliche Auge.
Wachsende Qualitätsansprüche an alle Produktmerkmale, dazu gehören auch Farben, erfordern entsprechende Prüftechnologien – etwa die automatische optische Inspektion. Solche Geräte messen zudem einen Farbunterschied präziser als das menschliche Auge.
(Bild: ©HeGraDe - stock.adobe.com)

In vielen Branchen stellt die genaue Einhaltung von Farbvorgaben ein wichtiges Qualitätsmerkmal dar. Beispiele solcher Anwendungen finden sich etwa in der Automobilindustrie, worauf Hersteller großen Wert legen, dass Bedien- und Anzeigeelemente sowie Cockpit- und Ambientebeleuchtungen in ihren Fahrzeugen farblich exakt aufeinander abgestimmt sind. In der Medizintechnik müssen LED-OP-Leuchten und andere Komponenten genauen Vorgaben entsprechen, um die strengen Auflagen dieser Branche zu erfüllen.

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Vor der Montage von dekorativen Kunststoffkomponenten, z. B. Geräteblenden, muss häufig nicht nur aus ästhetischen Gründen sichergestellt werden, dass die verwendeten Farben zueinander passen, denn die Wertschöpfung steigt mit jedem Montageschritt und ein Austausch farblich aus dem Rahmen fallender Teile wird zu einem späteren Prozessschritt immer teurer oder sogar unmöglich.

Durch den Einsatz des Doppelfilterrads ergeben sich 64 Filterkombinationen, was bislang einmalig am Markt ist.

Tobias Postler, Geschäftsführer, Systec

Für derartige Aufgaben entwickelt Systec mit Sitz in Nürnberg Kamerasysteme, mit denen sich Farbort, Leuchtdichte und optische Homogenität überprüfen lassen. „Mit der Multispektralkamera MSC 8X8 haben wir unsere bisherigen Produkte für lichttechnische Analysen für mehr Anwendungsmöglichkeiten weiterentwickelt“, erläutert Systec-Geschäftsführer Tobias Postler. „Denn durch das von uns eigens entwickelten Doppelfilterrades stehen Anwendern zweimal acht übereinander liegende Filterplätze zur Verfügung, die automatisiert in den Strahlengang gebracht werden können. Daraus ergeben sich 64 Filterkombinationen, was nach unseren Recherchen bislang einmalig am Markt ist.“

CMOS-Kamera: 45 Megapixel Auflösung

Zweites wesentliches Element ist eine CMOS-Industriekamera des dänischen Herstellers JAI vom Typ Spark. Sie verfügt über eine Auflösung von 45 Megapixeln, eine Bittiefe von 14 Bit und arbeitet mit einem HDR-Modus (High Dynamic Range). Kombiniert mit den MSC 8X8-Filtern, ermöglichen diese Eigenschaften ganz genaue lichttechnische Analysen, um Werte wie die Leuchtdichte, die dominante Wellenlänge und den Farbort zu bestimmen.

Das System ist sowohl für den Inline-Einsatz in kontinuierlichen Produktionsanlagen als auch für Offline-Anwendungen z. B. im Labor oder zur Stichprobenprüfung geeignet. Die ursprüngliche Motivation stammt jedoch aus dem Inline-Betrieb, daher wählte Systec eine Spark-Variante mit Global Shutter, einer maximalen Bildaufnahmefrequenz von 38 Bildern/s und einer Coaxpress-Schnittstelle mit 2 oder 4 Kanälen, die eine Datenübertragungsrate von bis zu 6,25 Gbps pro Kanal an den auswertenden Rechner ermöglicht. In Abhängigkeit von der eingestellten Belichtungszeit und den gewünschten Ausgabeparametern sind damit Taktzeiten ab 0,5 s für unterschiedliche Belichtungsstärken erzielbar, was für viele Inline-Prozesse eine ausreichende Geschwindigkeit darstellt.

Pluspunkte für den Kamerapartner

Bereits in den Vorgängermodellen hatte sich Systec auf Kameras von JAI verlassen und dabei laut Tobias Postler sehr gute Erfahrungen gemacht, die sich bei der Neuentwicklung abermals bestätigten: „Wir stellen hohe Anforderungen an die Bildqualität der Kameras, die JAI mit diesem Modell erfüllt. Neben der exzellenten Auflösung war uns aber auch wichtig, dass die integrierte Kamera stoß- und vibrationsfest ist sowie eine verteilte Bildverarbeitung auf mehreren PCs erlaubt, was über die Link Sharing-Funktion von Coaxpress möglich ist.“

Zu den technischen Pluspunkten kamen nach Postlers Worten weitere Faktoren: „Der Support unseres Partners ist hervorragend, bei Anfragen allgemeiner Art und bezüglich der Kamerafirmware hat uns unser direkter Ansprechpartner immer zuverlässig und kompetent beraten. Vom Vertrieb bis zum Support konnten wir uns stets auf eine professionelle und freundliche Zusammenarbeit verlassen. So hat JAI beispielsweise die genannten Liefertermine immer eingehalten. Das ist keine Selbstverständlichkeit.“

JAI unterstützte Systec auch bei der Wahl des Objektivs, des Objektivflansches und des richtigen Abstands von Objektiv zu Kamera. Zudem war ein gutes Wärmemanagement erforderlich, um möglichst rauschfreie Bilder aufzunehmen und somit die Grundlage für qualitativ hochwertige lichttechnische Analysen zu schaffen. Auch hier steuerten die Experten Know-how bei, um die Gesamtlösung in Bezug auf die Temperaturentwicklung optimal zu gestalten. Ein Peltier-Kühlaggregat sorgt für die aktive Kühlung des kompletten Systems und somit auch des Kamerasensors.

Multispektralkamera – flexibel im Einsatz

Im Einsatz profitieren Anwender von der Flexibilität des Multispektralkamerasystems, das Systec zunächst auf Basis der vorliegenden Anforderungen mit verschiedenen Filterkombinationen zusammenbaut und kalibriert. Aktuell existieren dafür zwei optimierte und verifizierte Bestückungen der beiden Filterräder, bei denen entweder drei CIE Tristimulus-Filter oder mehrere Filter für multispektrale Messungen eingesetzt werden. Darüber hinaus sind auch individuelle Bestückungen möglich.

Abhängig von den erforderlichen Ausgabeparametern führt die zugehörige Software von Systec anschließend eine automatisierte Snap-Sequenz mit verschiedenen Filterkombinationen durch. Die RAW-Bilddaten werden dabei mit Hilfe der für die jeweilige Kamera-/Filterkombination hinterlegten Kalibrierfunktionen in gültige physikalisch-technische Einheiten, d. h. in Messwerte umgewandelt. Die Algorithmen für alle Berechnungen sind bereits integriert, sodass das System ohne langwierige Vorbereitungen einsetzbar ist.

Aktuell ist es für die Integration in Testsystemen von Systec ausgelegt. Damit ist eine abgestimmte Komplettlösung inklusive erprobter Software erhältlich. Anwender mit Bildverarbeitungs-Know-how können das System auch separat beziehen und in eigene Applikationen integrieren oder als Stand-alone-System im Laboreinsatz nutzen.

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Genaue Messwerte für aussagekräftige Ergebnisse

Im Einsatz liefert die Kamera genaue Messwerte für die Beleuchtungsstärkeverteilung, die Lichtstärkeverteilung, die Farbkoordinaten, die dominante Wellenlänge, die diskrete Spektralcharakteristik sowie die korrelierte Farbtemperatur. Mit diesen Angaben sind aussagekräftige Tests in der Wareneingangskontrolle, zur Qualitätssicherung in der Produktion und viele weitere Anwendungen möglich.

Postler nennt ein Beispiel: „Der Zulieferer eines deutschen Sportwagenherstellers setzt MSC 8X8 in einem End-of-Line-Testsystem für Cockpitkomponenten ein. Das System stellt sicher, dass keine Produkte mit falsch bestückten Beleuchtungskomponenten wie LEDs mit falscher Wellenlänge oder Helligkeit ausgeliefert werden. Zudem wird so die Gefahr ausgeschlossen, dass Fahrer bei einer fehlerhaften Einmessung oder Kalibrierung geblendet werden, wenn in der Nacht die Grenzwerte für die maximale Helligkeit überschritten werden.“

Auch bei Monitoren in der Medizintechnik müssen Leuchtdichte und Homogenität den Anforderungen entsprechen: Sie ersetzen bei der Darstellung von Röntgenaufnahmen die klassischen Aufnahmen vor einem Leuchtschirm und dürfen keine Schwankungen in der Homogenität aufweisen, da dies im schlimmsten Fall zu Fehlinterpretationen durch den Arzt führen kann.

„Nach unseren Recherchen existiert am Markt aktuell kein Farbmesskamerasystem, das es bezüglich Messgenauigkeit und -geschwindigkeit mit der MSC 8X8 aufnehmen kann. In High-End-Anwendungsfällen ist unsere Multispektralkamera daher aktuell das einzige System, das anspruchsvolle Kundenanforderungen zuverlässig erfüllen kann“, so der Systec-Geschäftsführer. „Die integrierten Spark-Kameras von JAI haben dabei aufgrund ihrer hohen Auflösung und Geschwindigkeit einen großen Anteil an der Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems.“

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