Sichtbare Vorteile von unsichtbarem Licht

Sichtbare Vorteile von unsichtbarem Licht

 IR-Anwendungen in der Praxis.

Immer mehr Anwender nehmen den Vorteil von unsichtbarem gegenüber sichtbarem Licht wahr. An dieser Stelle muss allerdings erwähnt werden, dass bei sichtbar und unsichtbar das menschliche Sehempfinden namensgebend ist.
Im folgenden Artikel sollen Grundlagen erklärt und Anwendungen aus dem Bereich IR vorgestellt werden.



Um zu verstehen, warum und wie diese Anwendungen funktionieren, zunächst einige Grundlagen aus der Physik. Licht muss man sich wie eine Welle vorstellen, welche eine gewisse Menge an Energie mit sich führt und sich im Raum fortbewegt. Trifft diese Welle auf ein anderes Medium, wird die mitgeführte Energie gewandelt. Es findet entweder eine Absorption, Reflexion oder Transmission statt. Bei der Reflexion wird die auftreffende Energie zurückgeworfen. Die Absorption führt zu einer Aufnahme der Energie in das Material, wobei es zu Schwingungen in der Gitterstruktur, also auf atomarer Ebene kommt. Bei der Transmission hingegen durchdringt die von der Welle mitgeführte Energie das Material.
Welcher der drei Vorgänge mit welcher Intensität stattfindet, ist von der Wellenlänge, also der Lichtfarbe bzw. der Periodendauer der Welle abhängig. Da die drei Eigenschaften einer Welle ineinander überführbar sind, wird im Folgenden der Einfachheit halber die Wellenlänge
als Bezug gewählt. Trifft eine Lichtwelle auf ein anderes Medium, finden bei kurzer Wellenlänge (Beispiel UV-Licht) viele Polaritätswechsel statt. Da jeder Polaritätswechsel verlustbehaftet ist, wird ein Großteil der Energie bereits an der Oberfläche in Form einer Reflexion „verbraucht“. Das Eindringen tief ins Material (Absorption) oder gar das durchdringen (Transmission) ist somit nicht mehr möglich. Eine Welle mit größerer Wellenlänge hat entsprechend weniger Polaritätswechsel und ein größerer Teil der Energie wird transmittiert.

Fünf Anwendungen von Infrarot-Licht

Die Wellenlänge von IR-Licht liegt bei Falcon-LEDs im Standard bei 850 nm und 875 nm. Die UV-LEDs hingegen sind im Bereich von circa 375 nm. IR-Licht hat folglich etwa halb so viele Zustandswechsel, was dazu führt, dass die verfügbare Energie des Lichtes weniger an der
Oberfläche reflektiert wird. Diese Eigenschaft von IR-Licht nutzt man beispielsweise in nachfolgenden Applikationen der Bildverarbeitung.


1. Farben zur sicheren Erkennung einer Beschriftung ausblenden

Auf Abbildung 1 ist ein- und dieselbe ECKarte zu sehen. Das Bild links ist mit einer RGB-Kamera und einer weißen Beleuchtung gemacht. Durch die unterschiedlichen erfassten Farben und dem daraus resultierenden geringen Kontrastunterschied ist es aufwendig, die in schwarz aufgedruckten Ziffern auszuwerten. Die zweite Aufnahme ist mit einer Monochromkamera und einer IR-Beleuchtung mit Wellenlänge 850 nm erfolgt. Hier wird aufgrund der langwelligen IR-Strahlung die farbige Oberfläche ausgeblendet. Ein Auslesen der aufgedruckten Ziffern ist somit wesentlich einfacher und sicherer umzusetzen.

2. Farben zur Darstellung von Textilstrukturen ausblenden

Ein Textilhersteller will seine Stoffe und Nähte auf Fehlstellen untersuchen. Abbildung 2 links zeigt ein RGB-Bild, aufgenommen unter weißem
Tageslicht. Eine Fehlererkennung ist hier denkbar schwierig. Unter IR-Licht hingegen (rechts) werden die Farben nichtig und die Struktur des Stoffes, sowie die Naht werden sichtbar. Eine Untersuchung der Textilien mittels Bildverarbeitung ist somit möglich.

3. Farben ausblenden, um Verunreinigung zu erkennen

Durch den gezielten Einsatz von IR-Licht können auch Gegenstände erkannte werden, die sich auf einem farbigen Bauteil befinden und unter weißem Licht nur schwer mittels Bildverarbeitung zu detektieren sind. Die Anwendung von IR-Licht bietet vor allem bei wechselnden Farbmustern einen enormen Vorteil gegenüber sichtbarem Licht.

4. Durchleuchten von Gegenständen

Sollen Gegenstände durchleuchtet und somitdas Innere untersucht werden, bietet IR-Licht einen weiteren Vorteil. Die Farben werden einerseits ausgeblendet, andererseits finden durch die langwellige IR-Strahlung weniger Reflexionen statt. Dies führt zu einer hohen Restintensität. Als Ergebnis bekommt man einen klaren Kontrastunterschied, welcher eine sichere Auswertung ermöglicht. So können oftmals sogar bereits verpackte Artikel noch untersucht werden.

5. Tageslicht ausblenden

Die Kombination von IR-Licht mit einem Bandpass findet häufig nach einer zeitaufwendigen Fehlersuche Anwendung. Die Einstrahlung von Sonnenlicht, Spiegelungen von Hallenbeleuchtungen oder nebenstehenden Anlagen führen des Öfteren zu ungewolltem und überflüssigem Ausschuss von eigentlich guten Produkten. Um dies zu vermeiden, kann mit Hilfe des Bandpasses die Fremdstrahlung herausgefiltert werden und nur der Anteil an Licht, mit Wellenlänge 850 nm, zum Sensor der Kamera durchgelassen werden.


Abbildung 1: Zwei Aufnahmen einer EC-Karte: Links im Bild mit weißer Beleuchtung, rechts mit einer IR-Beleuchtung.


Abbildung 2: Unter weißem Licht ist eine Fehlererkennung nur sehr schwer und unter großem Ausschuss möglich (links im Bild). Beim Einsatz von IR-Licht treten Farben in den Hintergrund und die Struktur wird sichtbar (Bild rechts).


Abbildung 3: Bei wechselnden Farbmustern ist eine Erkennung von Textilfehlern oder Fremdkörpern mit IR-Beleuchtungen wesentlich simpler umzusetzen und zudem sicherer als mit sichtbarem Licht.


Abbildung 4: Im Durchlicht überzeugt langwellige IR-Strahlung durch die hohe Restintensität, die aufgrund weniger Reflexionen bei der Kamera ankommt.


Wissenswertes


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