Sichtprüfung auf An/Abwesentheit in Verpackungen

Die Verpackungsprüfung stellt die Entwickler und Integratoren von Machine Vision vor eine Reihe von Herausforderungen, dies vor allem durch die Vielzahl von Verpackungstypen, die sich in Material, Größe, Form und Beschaffenheit unterscheiden. Darüber hinaus bereiten Einschränkungen beim Zugang der Vision-Ausrüstung zu den zu prüfenden Teilen sowie Fließbandgeschwindigkeiten und Beförderungsraten Probleme.

Eine typische Verpackungsanwendung ist die Prüfung auf die An- bzw. Abwesenheit von Objekten, die entweder absichtlich oder unabsichtlich in Verpackungsbehälter eingebracht wurden. In diesem Fall wird bei der Sichtprüfung das Vorliegen eines Messlöffels aus Kunststoff geprüft, der absichtlich in eine leere Metalldose eingelegt wird, bevor das Pulver hinzugefügt und der Behälter versiegelt wird (Abb. 1a).

In diesem speziellen Beispiel sind bei der Bestimmung der geeigneten Beleuchtung mehrere Aspekte zu berücksichtigen:
1) eingeschränkter Zugang zur offenen Dose,
2) die unterschiedliche Reflektivität von Boden und Seiten der Metalldose und des Kunststofflöffels
3) die Größe und Tiefe der Dose.
Da der Sichtwinkel bei dieser Art von Prüfung eingeschränkt ist, wird üblicherweise eine von zwei möglichen Beleuchtungsgeometrien (beide direkte Punktlichtquellen) eingesetzt:
1) eine Koaxial-Ringleuchte (Abb. 1b) und
2) eine Off-Axis-Spotleuchte (Abb. 1c).
Bei ausreichender Fokussierung bietet die Spotleuchte den Vorteil, dass sie mit einem längeren Arbeitsabstand eingesetzt werden kann, wenn ein Zugang direkt oberhalb der Behälteröffnung nur eingeschränkt möglich ist. Hierbei ist zu bedenken, dass das Ziel der Prüfung darin besteht sicherzustellen, dass die Dose einen Messlöffel enthält.

Betrachtet man die Bilder, die unter schräger Spotbeleuchtung und Koaxial-Ringbeleuchtung erfasst wurden, wird deutlich, dass die Anwesenheit des Messlöffels zwar visuell festgestellt werden kann, keines der Bilder sich jedoch besonders für die Prüfung mit einem Sichtsystem eignet (Abb. 2a und 2b).

Dieser Umstand ist primär auf die unterschiedliche Reflektivität des Inneren der Metalldose und des Kunststofflöffels sowie die mangelnde gleichmäßige Ausleuchtung aller Oberflächen zurückzuführen. Geht man davon aus, dass eine Koaxialgeometrie am besten geeignet ist, man jedoch keine direkte Punktlichtquelle wie beispielsweise eine Ringleuchte verwenden will, welche Möglichkeiten bleiben dann?

In Anbetracht der Einschränkungen dieser Prüfung bleiben nur zwei andere Koaxial-Beleuchtungstechniken - Dunkelfeld- und vollständige diffuse Hellfeldbeleuchtung. Von wenigen Ausnahmen abgesehen muss man festhalten, dass eine der Einschränkungen sowohl von Dunkelfeld- als auch von diffuser Beleuchtung darin besteht, dass die Leuchte relativ nahe und oft direkt über dem Prüfstück montiert werden muss.

Angenommen, der Zugang von oben ist ohne Einschränkung möglich, so wird deutlich, dass das Bild bei einer Dunkelfeld-Ringbeleuchtung in einem Winkel von 45 Grad gleichmäßiger ausgeleuchtet ist als bei einer standardmäßigen Ringbeleuchtung. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass das Licht effektiv um den Behälter herum verteilt und abgestrahlt wird, da es in einem Winkel von 45 Grad auf die Behälterseiten auftrifft (Abb. 3). Werden hier jedoch tatsächlich alle Möglichkeiten der Dunkelfeldbeleuchtung ausgenutzt? Oder gibt es eine noch bessere und auch besser geeignete Lösung?

Hier ist anzumerken, dass sich vollständige Hellfeldbeleuchtung von partieller oder gerichteter Hellfeldbeleuchtung dahingehend unterscheidet, dass sie gleichmäßig und typischerweise diffus ist. Das Licht kann aus mehreren Richtungen kommen, wie z. B. von einer Domebeleuchtung, oder aus einer Richtung von einer Flächenbeleuchtung, wie z. B. einer axialen diffusen Beleuchtung (Axial Diffuse Illuminator, ADI). Da bereits vermutet werden kann, dass multidirektionales Licht wie jenes aus einer Dunkelfeldbeleuchtung für diese Anwendung nicht unbedingt optimal ist, wird das Prüfstück unter der ADI betrachtet (Abb. 4a). Das ADI-Bild zeigt besonders gute Homogenität in der Ausleuchtung und guten Kontrast, unabhängig von der Lage und Ausrichtung des Messlöffels in der Dose. In diesem Fall wurden die einzigartigen Merkmale der ADI, nämlich die „Flutung“ des Dosenbodens mit Licht aus derselben Richtung und mit derselben Intensität, voll genutzt (Abb. 4b). In dieser speziellen Anwendung war für das Prüfstück eine große ADI mit einem Sichtfeld von 15 cm x 15 cm erforderlich – die DL085-660C3 (Abb. 4c).

Bis zu diesem Punkt wurde bei der Analyse und Diskussion der Vorgehensweisen davon ausgegangen, dass die Dosenöffnung von oben frei zugänglich ist. Eine Einschränkung der Verwendung der DL085 ist die Höhe - eine ADI ist normalerweise ebenso hoch wie breit - in diesem Fall etwa ~ 15 cm. Ist der Raum oberhalb der Dose begrenzt, müsste eine andere Lösung ausprobiert werden, in der Hoffnung, dass ähnlich positive Ergebnisse erzielt werden. In Situationen mit begrenztem Raum auf der Z-Achse oberhalb des Prüfstücks kann die FD0808 eingesetzt werden, eine schmale diffuse Leuchte mit koaxialem Sichtfenster (Abb. 5a und 5b). Dabei lassen sich ähnliche, jedoch weniger detaillierte Ergebnisse erzielen (Abb. 4b). (Autor Daryl Martin)