CTO bei Volpi AG: Die Qualität des Lichts entscheidet

>> Nur mit Unterstützung industrieller Bildverarbeitung können die ständig steigenden Qualitätsanforderungen an LCD-Bildschirme und Touchpanels gewährleistet werden. Die hierzu üblicherweise eingesetzten Zeilenkameras müssen aussagekräftige Bilder für die Auswertung zur Verfügung stellen, eine entscheidende Rolle spielt dabei die richtige Beleuchtung. Grosse Prüflinge bis 3 m Breite, hohe Durchsatzraten und Materialien unterschiedlicher Transparenz verlangen der eingesetzten Technik einiges ab.

Anbieter zum Thema

Rhenus Lub GmbH & Co KG

Blaser Swisslube AG

SGT Sinterform-Gleitlager-Technik AG

ALTRONA vision AG

Basler AG

Das Unternehmen Basler AG mit Hauptsitz in Ahrensburg (D) gilt schon seit Jahren als Spezialist für digitale Kameras für Anwendungen in Industrie und Videoüberwachung. Speziell für den Einsatz in der LCD- und Touchpanel-Produktion, hat das Unternehmen leistungsfähige Inspektionssysteme entwickelt, die – integriert in die Produktionslinie – eine schnelle und zuverlässige Online-Kontrolle der Prüflinge ermöglichen und detaillierte Informationen über Abweichungen und Defekte liefern. Die in den Inspektionssystemen eingesetzten hochauflösenden Kameras können aber nur dann rauscharme und kontrastreiche Bilder liefern, wenn die Beleuchtung optimal ist. In enger Kooperation mit der schweizerischen Volpi AG wurde speziell für den Einsatz an LCD- und Touchpanel-Prüfsystemen eine funktionelle Zeilenbeleuchtung entwickelt, bei der energiesparende LED-Technik mit Glasfaserlichtleitern kombiniert wurde.

Hybride Technologie

Das Resultat, das so genannte Hybrid-Lightline, kann sich sehen lassen: Heute sind damit grosse Inspektionsanlagen mit an die 40 nebeneinander angeordneten hochempfindlichen Zeilenkameras realisierbar, beispielsweise für anspruchsvolle optische Inspektionen im Color-Filter-on-Array-Umfeld. Die Prüfsysteme arbeiten hier mit Auflösungen bis 8 µm und Belichtungszeiten von weniger als 30 Mikrosekunden. Da die Anforderungen je nach Prüfling stark differieren, lässt sich diese Beleuchtung problemlos unterschiedlichen Gegebenheiten anpassen, etwa an Hellfeld- oder Dunkelfeld-Anwendungen.

Im ersten Fall strahlt das Licht direkt in die Kamera und Fehler sind im Kamerabild als dunkle Stellen erkennbar. Hier ist eine sehr gute Homogenität der Beleuchtung erforderlich, da sich Fehler nur so zuverlässig detektieren lassen. An die Lichtintensität sind die Anforderungen dagegen nicht ganz so hoch wie bei Dunkelfeld-Anwendungen, die mit Durchlicht oder schrägem Auflicht arbeiten. Hier erscheinen Fehler im Prüfbild in Form heller Signale als Folge des an den Defekten gestreuten Lichtes. Wäre die Lichtintensität zu gering, könnten die Fehler infolge der hohen Objektgeschwindigkeit und ihrer geringen Streuintensitäten nicht mehr mit ausreichender Sicherheit detektiert werden. Entsprechend unterschiedlich werden die Beleuchtungssysteme aufgebaut und an die jeweilige Anwendung angepasst.

LEDs als Lichtquelle

So werden als Lichtquelle in den Beleuchtungssystemen für die Zeilenkameras je nach Intensitätsanforderungen Hochleistungs-LEDs eingesetzt. Deren Licht wird in die integrierten Glasfaser-Multilayer eingekoppelt und so in eine homogene und definiert verteilte Zeilenbeleuchtung umgewandelt. Hierzu werden Lichtleiter verwendet, bei denen der am Lichtleitereintritt wirksame Faserquerschnitt in eine zeilenförmige Querschnittsgeometrie am Lichtaustritt gewandelt wird. Aus diesem Grund werden faseroptische Linienlichter auch häufig als Querschnittswandler bezeichnet. Volpi setzt für die Herstellung dieser faseroptischen Querschnittswandler die hauseigene Wound-Strip-Technologie ein, bei der in einem speziellen Verfahren die Fasern des Eingangsquerschnitts in definiert angeordnete Einzelschichten (Layers) am Ausgangsquerschnitt mehrlagig übereinander gelegt, gewickelt und verklebt werden. Mit einem gut gemischten Querschnittswandler ist so eine Homogenität von +/–2 % erreichbar. Die hybriden Linienlichter können bis zu 4 m lang sein; ihre Lichtintensität beträgt für Hellfeld-Anwendungen 4500 Lm/m, beziehungsweise 9000 Lm/m bei Dunkelfeld.

Vorteile der LEDs

Die Kombination von Faseroptik- und LED-Technik bringt einen weiteren Vorteil. Die LEDs haben eine Lebensdauer von mehr als 30 000 Betriebsstunden, leben damit also deutlich länger als andere Lichtquellen, wie etwa die vergleichsweise teuren Metallhalidlampen, deren Lebenserwartung heute bei zirka 9000 Betriebsstunden liegt. Eine integrierte Regelung sorgt ausserdem dafür, dass die Lichtintensität der LEDs über die gesamte Lebensdauer konstant bleibt. Ein eventueller Austausch ist im Rahmen geplanter Stillstandszeiten möglich. Die LEDs punkten zudem durch einen vergleichsweise niedrigen Energieverbrauch, was ein weiteres Argument für den Einsatz der hybriden Linienlichter darstellt. Mit dem hybriden Linienlicht lassen sich auch bestehende Inspektionssysteme auf Basis konventioneller faseroptischer Systeme ohne Probleme auf hocheffiziente LED-Beleuchtungssysteme umrüsten.

Wichtig: zuverlässige Kühlung der LED

Damit LEDs ihre Langlebigkeit auch wirklich ausspielen können, müssen sie gekühlt werden. Ansonsten kann ihre Temperatur in kritische Bereiche steigen und gar zum Ausfall führen. Daher ist gerade bei leistungsstarken LEDs eine effiziente Kühlung äusserst wichtig. Ineffiziente Kühlung führt bereits nach relativ kurzer Betriebszeit zu einer deutlichen Verminderung der Lichtausbeute und zu frühzeitiger Alterung, die sich auch durch eine Regelung nicht langfristig ausgleichen liesse.

So wurden im Vorfeld der Evaluation eines Kühlsystems, auf Basis der dem Hersteller bekannten LED-Spezifikationen, Lebensdauersimulationen durchgeführt. Da die LEDs mit einer Konstantlicht-Steuerung versorgt werden, muss über eine closed-loop-Regelung der emittierte Lichtstrom überwacht und der LED-Strom alterungsbedingt nachgeregelt werden. Hier ging es darum, einen geeigneten Anfangsstrom beziehungsweise den zugehörigen Anfangs-Lichtstrom zu bestimmen, damit am Ende der Lebensdauer der LEDs die gerade noch erlaubten Stromwerte nicht überschritten werden. Da die hybriden Linienlichter für Inspektionssysteme in Reinräumen eingesetzt werden, erwies sich eine Flüssigkühlung als optimal. Geführte Luftkühlungssysteme wären zu platzaufwändig. Deshalb wurde ein kompakter Flüssigkühler entwickelt, der ähnlich einem Kühlschrank als geschlossenes Zweikreissystem aufgebaut ist und dafür sorgt, dass die Betriebstemperatur der LEDs auch bei maximaler Leistung nicht über 30 °C ansteigt. Die Temperaturen werden von der Steuerung des Inspektionssystems überwacht, das mit den Linienlichtern über CANopen kommuniziert. Auf diesem Kommunikationsweg werden bei der Inbetriebnahme beispielsweise auch die einzelnen LEDs des Linienlichts komfortabel auf die gleiche Anfangsleistung und damit auf den vorgesehenen Anfangsstrom kalibriert.

Multifunktionales Design

Beim Design und der Gehäusetechnik legten die Entwickler grossen Wert auf Multifunktionalität und Qualität. So dienen die T-Nuten am Gehäuse des Kühlkörpers beispielsweise gleichzeitig zur Befestigung der Fokussieroptiken und des kompletten Linienlichts. Ebenso dienen die T-Nuten auch als Führungsbahnen für die Stromzulieferung. Zur Gewährleistung eines über die gesamte Länge des Linienlichts gleichmässigen Lichtaustritts und zur optimalen Lichteinkopplung werden mit einer hochpräzisen Maschine die entsprechenden Linienlicht-Elemente beidseitig geschliffen. An der seitlichen Zuleitung für die Kühlflüssigkeit garantieren die planen Flächen am Kühlkörper, dass die eingesetzten Dichtungen ihre Funktion auch wirklich erfüllen. Der elektrische Anschluss ist ebenfalls einfach und praxisgerecht. Die Hochglanz-Stahlbleche, welche die Aussenwand des Gehäuses bilden und das elektronische Innenleben schützen, verleihen dem Linienlicht gleichzeitig eine gewisse Eleganz. <<

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