Bildgebung mit polarisiertem Licht

Polarisationskameras von Baumer und Know-how des Fraunhofer IIS zur Polarisationsbildgebung

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Was im Alltag nützt, hat auch in industriellen Applikationen großes Potenzial: Während Fotografen schon lange Polfilter für kontrastreiche Bilder ohne Spiegelungen nutzen, ist die Polarisationsbildgebung erst vor einigen Jahren wirklich in der Industrie angekommen. Inzwischen bietet die Baumer GmbH mit den Polarisationskameras der CX-Serie geeignete Kameras an und tauscht mit dem Fraunhofer IIS Erfahrungen aus.

Torsten Wehner, Produktmanager im Vision Competence Center, Baumer GmbH

Inhaltsverzeichnis

1. Automatische Bestimmung von Polarisationswinkel und -grad
2. Durch Polarisation analysierbare Eigenschaften

Bis vor einigen Jahren gab es kaum Kameras oder Know-how zum Einsatz von Polarisationsbildgebung in industriellen Applikationen. Der von Sony entwickelte Bildsensor IMX250MZR mit direkt auf dem Sensor integrierten Polarisationsfiltern leitete dann die Wende zur Entwicklung geeigneter Systeme wie die CX-Polarisationskameras von Baumer ein. Und auch Know-how wurde kontinuierlich aufgebaut – wie am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen, das seit mehr als 20 Jahren zu neuen Methoden der Bildgebung forscht und für viele Unternehmen Pilotprojekte im Bereich Polarisation umgesetzt hat. Seit dem vergangenen Jahr tauschen Baumer und das Fraunhofer IIS nun ihre Erfahrungen aus, um den Effekt zu nutzen, den viele beispielsweise von Sonnenbrillen kennen: Blickt man an einem sonnigen Tag auf eine Wasseroberfläche, sind die Spiegelungen oft so stark, dass man die Augen zusammenkneifen muss. Setzt man aber eine Sonnenbrille mit Polfilter auf, reicht der Blick bei klarem Wasser auf einmal tief ins Gewässer hinein. Auch Fotografen nutzen deswegen gerne Polfilter für ihre Objektive, um Spiegelungen auf Wasser, Glas oder Metall zu blockieren und kontrastreiche Bilder zu erhalten.

Automatische Bestimmung von Polarisationswinkel und -grad

Die GigE- und USB-3.0-Polarisationskameras der CX-Serie von Baumer nutzen die Polarisationseigenschaften des Lichts. Dafür setzen sie den erwähnten Global-Shutter-Sensor mit 5 Megapixel IMX250MZR von Sony ein, der über eine zusätzliche Polarisationsschicht verfügt. In dieser sitzt jeweils vor vier benachbarten Pixeln ein Polarisationsfilter, der nur Licht einer bestimmten Schwingungsrichtung – 0°, 45°, 90° oder 135° – durchlässt. Stabile Auswertealgorithmen im Software-Development-Kit Baumer GAPI bestimmen aus den Rohbilddaten automatisch den Polarisationswinkel (AOP, Angle Of Polarization), den Polarisationsgrad (DOLP, Degree Of Linear Polarization) oder beides zusammengefasst (ADOLP, Angle and Degree Of Linear Polarization). Statt eines komplexen Prüfsystems mit wechselnden Filtern oder eines Mehrkamerasystems reicht so eine Kamera und eine Aufnahme aus – das reduziert die Komplexität sowie die Systemkosten. So werden einfache Lösungen ermöglicht, bei denen der Anwender flexibel bestimmen kann, welche Informationen für seine weitere Bildauswertung benötigt werden.

Durch Polarisation analysierbare Eigenschaften

Mithilfe von Polarisationskameras werden physikalische, für das menschliche Auge nicht erfassbare Materialeigenschaften sichtbar und damit auswertbar – ein Ölfleck auf einer Metalloberfläche ist für das Auge zum Beispiel fast unsichtbar, eine Polarisationskamera sieht dagegen einen hellen Kreis. Dadurch können sie unter anderem bei der Optimierung von Fertigungsprozessen, der Reduktion von Ausschuss oder der Verbesserung der Qualität helfen. Großes Potential besteht beispielsweise in der Glasindustrie: Steht Glas unter mechanischer Spannung, kann es bei Erschütterung, Hitze oder beim Schneiden brechen. Diese unsichtbaren Spannungen entstehen schon beim Abkühlen des Glases, besonders aber wenn es in einen Rahmen mit einer anderen Wärmeausdehnung eingefasst wird. Kritisch ist das etwa bei Fenstern in sicherheitsrelevanten Bereichen wie in der Medizin oder in der chemischen Industrie.

Bisher werden zur Messung der Restspannung häufig vor und hinter dem Glas gekreuzte Polarisationsfilter eingesetzt. Mit weißem Licht beleuchtet, werden so farbige Strukturen sichtbar, da die Polarisationsebene des Lichts in Abhängigkeit von der mechanischen Spannung im Glas gedreht wird – den Effekt nennt man Spannungsdoppelbrechung. Da jedoch mehrere Bilder hintereinander aufgenommen werden müssen, ist diese Messmethode nicht inline-fähig. Setzt man hingegen eine Polarisationskamera ein, liefert ein Bild alle benötigten Informationen, um verspanntes Glas sicher zu detektieren. Zu den weiteren industriellen Anwendungsfeldern robuster Polarisationskameras gehört unter anderem die Kontrolle von reflektierenden oder glänzenden Oberflächen wie Metall oder Folien sowie die Qualitätsprüfung von kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK), wie sie in der Automobil- oder Luftfahrtindustrie eingesetzt werden. ik

Weitere Informationen zur CX-Serie von Baumer:
hier.pro/jpRMy

Messe SPS 2019: Halle 4A, Stand 335

Kontakt zu Baumer
Baumer GmbH
Pfingstweide 28
61169 Friedberg
Tel.: +49 6031 60 07 0
E-Mail sales.de@baumer.com
www.baumer.com

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