Warum einen Strobe Controller verwenden?

Wechselnde Beleuchtungsverhältnisse lassen den algorithmischen Aufwand in der Bildverarbeitung extrem ansteigen. Die automatisierte Bildverarbeitung benötigt also definierte Beleuchtungsverhältnisse. Strobe Controller gewährleisten die korrekte Beleuchtung des Prüfobjektes und machen die Bildverarbeitung so sicherer, schneller und ökonomischer. Zusätzlich ermöglichen sie eine deutliche gesteigerte Lichtausbeute gegenüber einfacher Beleuchtung.

Kameras mit integriertem 4 Kanal Strobe Controller (131)

Strobe Controller als Beleuchtungssteuerung

Grundlagen der Beleuchtung

Typische Anordnung zur Beleuchtung ohne Schatten und Reflexionen

Wenn eine Industriekamera ein Bild aufnehmen soll, dann benötigt es zuallererst ein beleuchtetes Objekt. Das Objekt sollte so beleuchtet sein, daß

  • der hellste auszuwertende Bereich nahe dem
    Pixelwert 245 (8-bit) liegt
  • der dunkelste auszuwertende Bereich knapp
    über Pixelwert 5 (8-bit) liegt
  • keine Schatten erzeugt werden
  • keine Reflexionen erzeugt werden
  • Bildwichtige Details sollten in einem mittleren Helligkeitsbereich liegen

Um Bewegungsunschärfe bei (schnell) bewegten Objekten zu vermeiden, versucht man die Belichtungszeit der Kamera möglichst kurz zu wählen. Typisch sind Belichtungszeiten im Bereich von wenigen ms oder µs. Je kürzer die Belichtungszeit ist, desto mehr Licht wird für das Prüfobjekt benötigt.

Die LED Lichtquelle in der Bildverarbeitung

Heutzutage werden nahezu ausschließlich LED Lichtquellen verwendet. Sie haben eine lange Lebensdauer, erreichen schnell nach dem Einschalten ihren maximalen Lichtstrom, sind elektrisch effizient und klein in der Bauweise. Das Spektrum des emittierten Lichtes ist relativ konstant, variiert weder über die Lebensspanne noch mit der Leistungsabgabe.

Die optische Emission von LED Lichtquellen ist proportional zum Stromfluß. Der Strom regelt die abgegebene Lichtmenge und damit auch die abgegebene thermische Leistung. LEDs sind empfindlich gegenüber Überhitzung. Da LEDs sich an den Schwellen stark unterscheiden können (an der Schwelle dunkel/erstes Licht und in der maximalen Helligkeit), sie in einem mittleren Bereich aber recht linear reagieren, bietet es sich an die Helligkeit über den Strom und nicht über die Spannung zu regeln. Hierzu verwendet man einen Strobe Controller.

Funktionen eines Strobe Controllers

Generell steuert ein Strobe Controller das Ein- und Ausschalten der LED Beleuchtung, sowie dessen Helligkeit. Er ist fast immer als Stromregler geschaltet, d.h. der die Beleuchtung durchfliessende Strom kann im Controller präzise eingestellt werden. Das Ein-und Ausschalten der Beleuchtung muß mit der Belichtungszeit der Kamera synchron erfolgen. Hierzu wird normalerweise das EXPOSURE Signal der Kamera ausgewertet. Folgendes sind die Hauptfunktionen eines Strobe Controllers:

  • Helligkeitsregelung
    Ein einstellbarer Strom definiert die Helligkeit der LED Beleuchtung.
  • Helligkeitsregelung über Spannungsregelung
    Die Helligkeit der LED Beleuchtung wird über die Spannung geregelt (nicht empfohlen)
  • Variables Ein- und Ausschalten der Beleuchtung
    Das EXPOSURE Signal der Kamera wird ausgewertet: Die Beleuchtung bleibt während aktivem EXPOSURE eingeschaltet
  • Festes Ein- und Ausschalten der Beleuchtung
    Das EXPOSURE Signal der Kamera wird ausgewertet: Die Beleuchtung bleibt wird mit aktivem EXPOSURE eingeschaltet und bleibt eine vorher festgelegt Zeit eingeschaltet. Sollte die Beleuchtung nur langsam die Nennleistung erreichen, kann diese Methode verwendet werden. Sofern diese Zeit geringer als die Belichtungszeit ist kann dieser Modus auch als Belichtungssteuerung benutzt werden.

Zusätzlich können einige Controller noch Feinheiten wie einstellbare Stromrampen, Delays, Sequenzen, Beleuchtungserkennung usw.

Standard Aufbau einer Beleuchtung mit 1-Kanal Strobe Controllern

Überblitzen von LED Beleuchtungen

Eine Besonderheit von Strobe Controllern ist das Überblitzen. Da LEDs thermisch empfindlich sind, sollte der Nennstrom nach Herstellerangabe eingehalten werden. Bei zu hohem Strom kann die thermische Energie nicht mehr abgeführt werden, die LED überhitzt und stirbt. Da die abgegebene Leistung ein Integral der momentanen Leistung über die Zeit darstellt, ist es jedoch (in Grenzen) auch möglich, die LED mit einem Strom deutlich über dem Nennstrom zu betreiben. Die ON-Zeit sollte hierfür so kurz wie möglich sein. Dies führt zu höherer Lichtausbeute, hat jedoch einen negativen Einfluß auf dei Lebensdauer der Beleuchtung.

Vorteil des Überblitzens

Da die Beleuchtung mit deutlich höherem Strom betrieben wird als dem Nennstrom emittiert sie während dieser Zeit auch deutlich mehr Licht (Licht ~ Strom). Während die Kamera kein Bild aufnimmt ist die Beleuchtung dunkel (die LED kühlt ab). Während kurzen Belichtungszeiten kann sie also deutlich heller betrieben werden.

Und kurze Belichtungszeiten sind meist auch das Ziel bei bewegten Objekten um Unschärfe zu vermeiden.  Hierzu ist auch vile Licht notwendig.

PWM Strobe Controller

Standard Strobe Controller regulieren Strom oder Spannung - mit der entsprechenden Verlustleistung. PWM Strobe Controller funktionieren nach einem anderen Prinzip: Über Pulsweitenmodulation wird die Helligkeit der LED geregelt. Die PWM regelt also nicht den Strom, sondern schaltet (in sehr hoher Frequenz) die LED ein oder aus. Der prozentuale Anteil der Einschaltzeit bestimmt damit die Helligkeit der LED. Der Strom ist immer der Maximalstrom, der sich aus dem Ohmschen Gesetz I = U / R ergibt. Dies bedeutet, daß (falls der Maximalstrom an der Versorgungsspannung zu hoch ist) daß ein Vorwiderstand benötigt wird um eine LED Beleuchtung an einer PWM Regelung zu betreiben.

Vorteil einer PWM Regelung

  • Extrem fein abgestufte Helligkeitsregelung möglich (bis in den Nanosekunden Bereich)
  • nahezu keine thermische Verlustleistung
  • ermöglicht Belichtungssteuerung über das Licht

Nachteil einer PWM Regelung

  • Unter Umständen ist ein Vorwiderstand (Shunt) nötig

 

Im Rahmen des 4IO Konzepts von SVS-Vistek sind die integrierten Power Ausgänge der Kamera als integrierter PWM Strobe Controller schaltbar.

Industriekameras mit integriertem Strobe Controller

Da die Aufgabe bei einer Industriekamera immer wieder die gleiche ist (Bild mit definierter Beleuchtung aufnehmen) macht es Sinn, den Controller direkt in die Kamera zu integrieren.

Vorteile einer Integration in die Kamera sind

  • deutlich weniger Aufwand in der Verkabelung, damit sicherer im Betrieb
  • kein externer Controller notwendig (ökonomischer Aspekt)
  • keine Integration eines zusätzlichen Controller SDKs in dieSoftware der  Anwendung notwendig
  • langfristig keine Abhängigkeit von der Lieferbarkeit eines bestimmten Controllers
  • minimierter Platzbedarf für das System Kamera / Beleuchtung
  • weniger Komponenten erhöhen die Transparenz bei der Wartung

SVS-Vistek stattet bereits seit Jahren all ihre Kameras mit einem eingebauten Mehrkanal PWM Strobe Controller als Teil des 4IO Konzeptes aus. Mit einem Maximalstrom von bis zu 3 Ampere (siehe Datenblätter) decken sie mehr als 90% der üblichen Anwendungen ab. Systemintegratoren schätzen die Möglichkeit Kamera und Strobe Controller über ein einziges SDK anzusprechen.

Dies führt zu schlanken Applikationen: im Bauraum, in der Verkabelung, in der Programmierung und letztendlich auch im Preis.

 

Aufbau einer Standard Beleuchtung mit integriertem Strobe Controller