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Neue Visionen durch Polarisation

Interview mit unserem Experten Jan Sandvoss

Mit Bildverarbeitung auf Basis von polarisiertem Licht lassen sich unter anderem verborgene Produkteigenschaften wie Spannungen in Kunststoffen oder Gläsern erkennen. Die Möglichkeiten der Technologie erläutert Jan Sandvoss, Polarisationsexperte bei STEMMER IMAGING.

Herr Sandvoss, beschreiben Sie bitte kurz die Polarisations-Technologie.

Jan Sandvoss: Um die Funktionsweise von Polarisationskameras besser zu verstehen, muss man die physikalischen Grundlagen betrachten. Licht lässt sich durch eine sich ausbreitende elektromagnetische Transversalwelle beschreiben, bei der eine elektrische Welle und eine magnetische Welle senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung schwingen.

Die Polarisation wird durch die Schwingungsebene der elektrischen Welle definiert. Üblicherweise ist das Licht nicht polarisiert, d.h. alle Schwingungsrichtungen der elektrischen Wellen sind gleich wahrscheinlich. Ist nur eine Schwingungsrichtung vorhanden, spricht man von linear polarisiertem Licht. Sind die Phasen der senkrechten und parallelen Komponenten der elektrischen Welle unterschiedlich, ist das Licht elliptisch polarisiert.

Zirkular polarisiertes Licht dagegen entsteht, wenn die Phasen beider Komponenten genau um 90 Grad verschoben sind. Diese Aussagen gelten für das gesamte elektromagnetische Spektrum und somit auch für das Lichtspektrum, zu dem die Bereiche ultraviolettes Licht (UV), sichtbares Licht mit Wellenlängen zwischen 440 und 650 nm, nahes Infrarotlicht (NIR) und kurzwelliges Infrarotlicht (SWIR) zählen.

Was ist der wesentliche Unterschied zwischen unpolarisiertem und polarisiertem Licht?

Jan Sandvoss: Unpolarisiertes Licht besteht aus vielen Wellen, die zufällig in verschiedenen Richtungen schwingen. Beispiele dafür sind das Licht von Glühlampen oder das Sonnenlicht. Diese Form der Beleuchtung hat in der industriellen Bildverarbeitung den Nachteil, dass sich vor allem bei Prüfobjekten mit glänzenden Oberflächen Reflektionen in Teilbereichen praktisch nicht vermeiden lassen.

Polarisiertes Licht bedeutet hingegen, dass alle von einer der Lichtquelle ausgehenden Wellen die gleiche Polarisation aufweisen und somit in den Richtungen der elektrischen Felder übereinstimmen. Durch die geschickte Nutzung von polarisiertem Licht können somit unerwünschte Reflektionen ausgefiltert werden. In bestimmten Fällen ermöglicht dies eine vereinfachte und bessere Überprüfung von optischen Merkmalen an Objekten.

Welche typischen Anwendungsbeispiele gibt es?

Jan Sandvoss: Mit dieser Technologie lässt sich eine Reihe interessanter Applikationen lösen. Generell können verschiedene Merkmale den Polarisationszustand von Licht verändern: Einfluss haben hier beispielsweise die Oberflächenbeschaffenheit von Objekten wie deren Rauheit, Kratzer, Dellen oder Beschichtungen, oder auch andere physikalische Eigenschaften wie mechanische Belastungen oder Doppelbrechungen. Vor allem bei der Inspektion von glänzenden, spiegelnden oder reflektierenden Oberflächen wie Folien, Metall oder Glas ermöglichen Polarisationsaufnahmen eine verbesserte Bildverarbeitung wie z.B. die einfachere Erkennung von Kratzern oder das robuste Lesen von Codes auf mehrschichtigen Folien.

Inspektion von glänzenden, spiegelnden oder reflektierenden Oberflächen

Polarisation von 0 Grad

Polarisation von 90 Grad

4 Polarisations-richtungen

Mit einem geeigneten Polarisationssystem lässt sich beispielsweise sehr einfach untersuchen, ob die Aufreißlaschen von in Folie eingeschweißten Kartendecks fehlerfrei sind. Bei einer Untersuchung mit unpolarisiertem Licht sind derartige Fehler deutlich schwieriger und bisweilen gar nicht zu erkennen. Weitere Beispiele sind klassische Pick&Place-Anwendungen, bei denen glänzende, oft metallische Bauteile unter verschiedenen Beleuchtungs- und Polarisierungswinkeln in unterschiedlichen Bildbereichen immer zu Reflektionen führen.

Durch die Kombination von reflektionsfreien Ausschnitten der unter unterschiedlichen, teilweise virtuellen Polarisationswinkeln aufgenommenen Bilder zu einem Gesamtbild ist es möglich, gut auswertbare Bereiche zusammenzuführen und somit die Bildverarbeitung und Erkennung der Objekte und ihrer Lage auf diesem synthetischen Bild zu vereinfachen.

Folienbodeninspektion von Kartendecks

Foto

Unpolarisiert

Polarisiert

Seit wann ist die Polarisation für die Bildverarbeitung interessant?

Jan Sandvoss: Der Sensorhersteller Sony hat im Herbst 2018 den CMOS-Bildsensor IMX250MZR vorgestellt, dessen auf Pixelebene integrierte Polarisationsfunktionen die Lösung bestimmter Aufgabenstellungen ermöglichen. Seitdem hat das Thema in der Bildverarbeitung deutlich an Fahrt aufgenommen. Dieser Sensor ist in der Lage, Licht in vier Ebenen mit 0°, 45°, 90° und 135° zu filtern und nur den Teil des Lichts durchzulassen, der parallel zur optischen Achse des jeweiligen Polarisators schwingt.

Für jede Berechnungseinheit verwendet der Sony-Sensor dazu vier Nanodraht-Arrays, die mit den genannten Winkeln ausgerichtet sind. Dabei befindet sich der Polarisator als Schicht zwischen den Photodioden und den Mikrolinsen. Dieser intelligente Aufbau des Sensors reduziert den unerwünschten Effekt des Übersprechens, der dann auftritt, wenn polarisiertes Licht auf ein benachbartes Pixel trifft.

Diesen Sensor haben dann vermutlich diverse Kamerahersteller für die Entwicklung von Polarisationskameras genutzt?

Jan Sandvoss: Richtig, es gibt mittlerweile einige Hersteller von Industriekameras, die auf dieser Basis entsprechende Produkte vorgestellt haben. STEMMER IMAGING arbeitet hier mit seinen bewährten Partnern Allied Vision, JAI und Teledyne Dalsa zusammen.

Wie bei Flächenkameras sind auch hier vier Polarisationsfilter mit verschiedenen Polarisationswinkeln realisiert, die direkt erfasst werden können. Sowohl bei Flächen- als auch bei Zeilenpolarisationskameras ist es jedoch möglich, durch die Interpolation aus den vier Hauptrichtungen auch andere „virtuelle“ Polarisationswinkel zu errechnen, um die optimale Ausrichtung für unterschiedliche Aufgabenstellungen zu erzielen.

Wie unterscheiden sich Bilder von Polarisationskameras und Bilder herkömmlicher Kameras?

Jan Sandvoss: Grundlage für Polarisationsbilder ist der so genannte Stokes-Vektor, über den sich die Polarisation des Lichts quantitativ bestimmen und mathematisch darstellen lässt. Dieser Vektor besteht aus vier Werten, mit denen sich die Richtung und Intensität und somit der Grad der linearen, zirkularen oder elliptischen Polarisation elektromagnetischer Wellen definieren lässt.

Nach der Aufnahme von Objekten mit einer Polarisationskamera ist es möglich, Bilder für die ersten drei Stokes-Parameter darzustellen. Diese lassen sich in einem weiteren Schritt zur Berechnung des linearen Polarisationsgrades (DoLP, Degree of Linear Polarisation) und -winkels (AoMP, Angle of Mean Polarisation) verwenden. Zur besseren Visualisierung können diese DoLP- und AoMP-Bilder auch auf dem HSV-Farbraum abgebildet werden, um z.B. Spannungen in der Struktur von Objekten aus Kunststoff einfacher darzustellen. Durch diese Darstellungsform wird zudem die nachfolgende Bildauswertung vereinfacht.

Welches Equipment benötigt man zur Aufnahme von Polarisationsbildern?

Jan Sandvoss: Neben einer Polarisationskamera sind auf der Hardware-Seite passende Beleuchtungen und Optiken erforderlich, um qualitativ hochwertige Bilder aufnehmen zu können. Selbstverständlich sind wie bei jedem Bildverarbeitungssystem Kabel zur Übertragung der Bilder an den auswertenden Rechner nötig.

Zur Auswertung von Polarisationsbildern enthalten einige Software-Umgebungen wie unter anderem die von STEMMER IMAGING entwickelte Software-Bibliothek Common Vision Blox bereits geeignete Tools.

Mit einem geeigneten Polarisationssystem lässt sich die dritte Dimension des Lichts zum Vorschein bringen und für die industrielle Bildverarbeitung nutzbar machen. Das bedeutet, dass sich mit Hilfe von Polarisationsverfahren Eigenschaften und Defekte erkennen lassen, die mit keiner anderen Methode sichtbar sind.