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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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.

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.