Gleichmäßige, dimmbare Beleuchtung einer Arbeitsfläche

[-AB-]

Hi liebes Forum,

ich bräuchte ein bisschen Unterstützung bei einem (für mich) aufwendigeren Projekt.

Kurz: Wir haben eine Kamera an einem Raspberry Pi, die auf einen Tisch (mit Dingen drauf, die teils gut, teils schlecht reflektieren) gerichtet ist. Automatische Belichtung der Kamera schlägt deshalb oft fehl (zu dunkel/zu hell), außerdem kommt es (wir haben momentan noch keine Beleuchtung) zu unscharfen Bildern bei zu hohem ISO oder langer Belichtungszeit.
Deshalb würden wir diese Werte alle gerne manuell setzen, und über einen der Pins ein PWM-Signal ausgeben, welches wiederum einigen LEDs, die wir um die Kamera herum montieren wollen, sagt, wie hell sie leuchten sollen. (dann wären Abweichungen immerhin jedes Mal gleich.)

- Überhaupt machbar?
Unser erster Gedanke war: Wir machen die LEDs so hell, dass Änderungen der Hintergrundbeleuchtung irrelevant sind. Sprich, jemand schaltet das Licht an oder aus, und die Farbtemperatur/Helligkeit sollte sich nicht großartig ändern.
Jetzt kann natürlich auch jemand ein Fenster öffnen und die Sonne scheint rein. Wollen/können wir wirklich mit der Sonne konkurrieren? (Klingt schon fast so, als bräuchten wir einen Blitz für die Kamera, aber ich wüsste nicht, wie ich das synchronisieren sollte.)
Der Tisch ist maximal vllt 50cm entfernt, aber unsere LEDs sind natürlich trotzdem eine Punktlichtquelle - auch, wenn wir sie ein bisschen verteilen - da werden die Ränder der Tisches doch auch dunkler erscheinen als die Mitte, richtig?

- Was brauche ich?
Pi haben wir, Kamera auch, Halterung für die LEDs wird gebaut, Spannung von 12 oder 24V ist vorhanden.
Dann brauche ich vmtl noch eine Konstantstromquelle, die eigentlichen LEDs und...?

- Welche LEDs?
Kommt natürlich auf die Machbarkeit an...

Ideen? Danke!
(wenn falsches Subforum, bitte verschieben, danke )

[Borax]

welches wiederum einigen LEDs, die wir um die Kamera herum montieren wollen

Je nachdem, wo die Kamera positioniert ist, kann so ggf. keine gleichmäßige Beleuchtung der Arbeitsfläche erreicht werden. PWM ist auch eher ungünstig. Ansonsten müsste auch das PWM Signal mit der Belichtung synchronisiert werden.

da werden die Ränder der Tisches doch auch dunkler erscheinen als die Mitte, richtig?

Ja. Daher würde ich die LEDs so anordnen, dass der Tisch vernünftig ausgeleuchtet ist.

Jetzt kann natürlich auch jemand ein Fenster öffnen und die Sonne scheint rein

Warum? Kann man da nicht dafür sorgen, dass bei den Aufnahmen keine (starke) weitere Beleuchtung vorhanden ist?

Welche LEDs?

Das kommt zunächst mal darauf an, wie viel Licht nötig ist. Ggf. erst mal (z.B. bei geöffnetem Fenster) nachmessen, bei welcher Lichtstärke (in LUX) gute Aufnahmen möglich sind.

[-AB-]

Ich merke, ich habe mich zu kryptisch ausgedrückt.

Bilder sagen mehr als Worte, hier mal eine Konkurrenzlösung:

Ein einfacher LED-Ring um die Kamera drum, damit möglichst wenig Schatten im Bild sind. (Der Arm selbst wirft natürlich einen Schatten, wenn das Licht sonst wie gewöhnlich von oben kommt)
Jetzt ist diese Lösung für vllt 30cm ausgelegt, ich würde aber gern den weiteren Sichtwinkel bei sagen wir um die 40-50cm ausnutzen. Und wenn möglich trotzdem den "Spotlight"-Effekt minimieren. Dachte da an eine Milchglasscheibe vor den LEDs, um das Licht etwas zu streuen. Stimmt natürlich, den Randlichtabfall kann man damit nicht beheben.

Finden wir jetzt z.B. nichts auf dem Bild, und das Bild ist (allgemein) hell, könnten wir die Helligkeit runterregeln. Finden wir nichts und das Bild ist eher grau statt weiß, regeln wir die Helligkeit hoch. Das ganze könnte in Echtzeit passieren, 60fps, 1 Frame messen, während dem nächsten die Einstellungen ändern, der dritte sollte dann besser sein.
Wenn man die PWM-Modulation richtig einstellt sollte es doch keine Probleme geben, oder? Also, wenn die Frequenz bedeutend höher ist als die der Kamera.

Warum? Kann man da nicht dafür sorgen, dass bei den Aufnahmen keine (starke) weitere Beleuchtung vorhanden ist?

Leider nein. Sagen wir mal, wir können direktes Sonnenlicht ausschließen. Wir haben auch Zeit, vorher vor Ort sinnvolle Werte zu finden, aber LEDs wechseln ist dann natürlich nicht mehr drin.

[Borax]

Ok. In dem Fall ist vmtl. ein Ringlicht wirklich am besten geeignet. Wenn die Farbwidergabe nicht soo wichtig ist, könntet Ihr Superflux LEDs verwenden. Sind zwar nicht mehr 'State of the Art', aber sehr einfach zu verarbeiten: https://www.leds.de/nichia-nspwr70css-k ... 11009.html oder https://www.leds.de/nichia-nsplr70css-k ... 11010.html (warmweiß). Mehr Power, höhere Effizienz, größerer Abstrahlwinkel und bessere Farbwiedergabe gibt es nur noch mit SMD LEDs. Beispiel: https://www.leds.de/nichia-nvswe21at-sm ... 65493.html . Aber die lassen sich eben nicht mehr so einfach verarbeiten. Die Nichia 757 kann man noch halbwegs gut von Hand löten ( siehe viewtopic.php?p=184100#p184100 und/oder viewtopic.php?f=31&t=14712 ) und sie sind spottbillig: https://www.leds.de/nichia-nf2l757grt-v ... 57-22.html

Wenn man die PWM-Modulation richtig einstellt sollte es doch keine Probleme geben, oder? Also, wenn die Frequenz bedeutend höher ist als die der Kamera.

Ja. Ob das sinnvoll funktioniert hängt eben von der Belichtungszeit ab. Die Standard-LED-Treiber (KSQs) verwenden 100-1000Hz PWM. Bei einer Belichtungszeit von z.B. 1/250 Sek und 1000 Hz PWM kannst Du dann aber 3 oder 4 PWM Pulse pro Belichtung haben. Das sind immer noch 25% Unterschied. Bei einem kompletten Selbstbau spricht natürlich auch nichts gegen eine PWM Frequenz von z.B. 5000 Hz und dann ist der Effekt nicht mehr relevant. Zunächst wäre es aber mal wichtig, über wie viel Licht wir hier reden. Sprich diese Frage hast Du noch nicht beantwortet:

Erst mal (z.B. bei geöffnetem Fenster) nachmessen, bei welcher Lichtstärke (in LUX) gute Aufnahmen möglich sind.

Oder ggf. mit Schreibtischlampe o.ä. testen. Eine Angabe: So hell wie eine 20W Halogenbirne ist wenigstens ein Richtwert. Weil so habe ich keine Ahnung ob 1000 Lux (oder noch mehr) nötig sind oder schon 100 Lux reichen...

[Handkalt]

Wenn die Sonne direkt zum Fenster hereinscheint ("Südfenster"), ist es auf zumindest auf den beschienenen Flächen sehr schwer, mit künstlicher Beleuchtung dagegen anzustinken. Wenn nur indirektes Licht vorhanden ist ("Nordfenster"), geht das aber.

Um dem Problem mit PWM und Kameraaufnahmen aus dem Weg zu gehen, könnte man vielleicht eine Konstantstromquelle mit variabler Strombegrenzung anstelle PWM-Dimmung verwenden.

-Handkalt

[-AB-]

Hm, Lötfüßchen sind natürlich schön. Aber ich seh grad, die größere Nichia mit fast 300 Lumen gibts auch mit einer 1-cm-Platine, das sollte das Löten vereinfachen.

Ein Luxmeter hab ich leider nicht. Dummerweise steht auch die Kamera noch nicht ganz fest - hängt vom Budget ab...
Löten kann ich schon, wenn ich einen Plan habe, und jemanden, der mir hilft, die Teile bei Reichelt rauszusuchen.

Konstantstromquelle mit variabler Strombegrenzung anstelle PWM-Dimmung verwenden.

Die Stromstärke per RasPi zu setzen ist dann aber auch nicht trivial, oder? Wäre dann vmtl. auch ein Selbstbau.

Hab ein paar ~100Lux Leds, mit denen werde ich mal (ganz grob) testen. Denke aber, die oben genannten Nichias sollten reichen. So weit muss das Licht ja nicht strahlen.
Hier im Labor ists ja kein Problem, das dunkel ich wenn ich möchte völlig ab. Aber draußen in der echten Welt ist das eben nicht immer möglich. In der einen Halle hängen nur Leuchtstoffröhren rum, eher dunkel, aber alles gut. In der nächsten sinds dann punktweise installierte, superhelle Halogen?Lampen, die auch noch jede Menge Infrarot ausstrahlen, so dass wir auf dem IR-Kanal überhaupt nichts sehen :/ Wenigstens optisch wollen wir den Schwankungen, die von draußen reinkommen, ein bisschen gegensteuern.
Beispiel mit der Sonne - das waren Türen mit eingelassenen Fenstern, vllt 3 Meter hoch - morgens bei Sonnenaufgang schien die Sonne 10, 15 Meter weit in die Halle rein. Ist dann natürlich auch nicht maximale Helligkeit, aber stört sicherlich


Gut, ich will so gut ich kann auf der sicheren Seite sein, ich erwarte keine Wollmilchgebende Eiersau
2 Watt pro LED, das ruft natürlich auch nach Kühlkörpern. Wobei die nicht lang an sein werden, immer nur 1, 2 Sekunden, dann Pause, vielleicht nochmal kurz an, dann grob eine Minute Pause. Alu-Montageblech, und vielleicht noch paar kleine Kühlkörper auf die Rückseite - durchgehende Belichtung wird damit vmtl. nicht drin sein, aber ist auch nicht nötig.

Ich melde mich nochmal, wenn ich mit meinen LEDs die Lichtstärke ausgetestet hab.

[Borax]

die größere Nichia mit fast 300 Lumen gibts auch mit einer 1-cm-Platine, das sollte das Löten vereinfachen.

Stimmt. Braucht dann natürlich etwas mehr Platz. Aber wenn die immer nur 1-2 Sekunden leuchten müssen, dann reicht diese Platine schon als Kühlkörper, was ja auch wieder ein Vorteil ist. Ggf. könnte man sie auch mit wenig Strom im Dauerbetrieb laufen lassen und nur für die Belichtung mit (mehr oder weniger) vollem Strom betreiben. Dann reichen vmtl. schon einige Millisekunden.

Löten kann ich schon, wenn ich einen Plan habe, und jemanden, der mir hilft, die Teile bei Reichelt rauszusuchen... Die Stromstärke per RasPi zu setzen ist dann aber auch nicht trivial, oder? Wäre dann vmtl. auch ein Selbstbau

Ja. Aber das (Schaltplan, ggf. Lochrasterplan und Stückliste) kannst Du bekommen. Ist nicht sooo schwierig

Ich melde mich nochmal, wenn ich mit meinen LEDs die Lichtstärke ausgetestet hab.

Gut. Weil das ist erst mal das wichtigste. Um mal eine Hausnummer zu nennen: Bei 24V kannst Du 7 der Nichia LEDs in Reihe betreiben. Beim Nennstrom (700mA) wären das schon über 2000 lm. Bei kurzfristiger Belastung (<1 Sekunde) geht auch etwas mehr als 1A problemlos. Und dann sind es rund 3000 lm. Das entspricht so etwa zwei 100W Glühbirnen...

[Achim H]

Hab ein paar ~100Lux Leds

Nein, hast Du nicht.
Der Lichtstrom wird in Lumen (lm) angegeben.
Lux (lx) ist eine Beleuchtungsstärke --> Lumen pro m².
1lx = 1lm/m².

[Handkalt]

Konstantstromquelle mit variabler Strombegrenzung anstelle PWM-Dimmung verwenden.

Die Stromstärke per RasPi zu setzen ist dann aber auch nicht trivial, oder? Wäre dann vmtl. auch ein Selbstbau.

Nö, das kann recht einfach gehen. Manche Meanwell-Konstantstromquellen wie das LCM-25 haben einen DIM-Steuereingang, an den du ein PWM-Signal anlegen kannst, mit dem der Ausgangsstrom eingestellt wird. Der Ausgang der Konstantstromquelle wird dabei trotzdem nicht pulsweitenmoduliert.

Wie genau man das an den RasPi anschließt weiß ich nicht, gibt aber sicherlich Beispiele dazu im Netz. Ich vermute, es geht genau so wie ich das mit einem Mi-Light-Controller gemacht habe (zwei Transistoren, ein Widerstand; wobei der eine Transistor nur zum Invertieren des PWM-Signals ist, den kannst du dir durch softwaremäßiges Invertieren noch sparen).

-Handkalt

[Borax]

-AB- braucht aber eine Niederspannungs-KSQ (der Roboter ist wohl autark). Ist aber auch kein Problem. In dem Fall eine LDH-45A verwenden (12V Eingang z.B.: https://www.leds.de/meanwell-ldh-45a-10 ... 95279.html ) oder LDH-45B (24V Eingang). Diese können per PWM gedimmt werden (PWM-Spannung zwischen 2 und 8V, PWM Frequenz 1-10 KHz - ideal wohl 2.5 KHz). Passt also prima zum Raspi Laut Datenblatt (http://www.meanwell-bg.com/files/Models/LDH-45-spec.pdf ) ändert sich hier auch der Ausgangsstrom mit der duty rate des PWM Signals und der Ausgang ist nicht PWM moduliert (wobei das bei 2.5 KHz auch nicht mehr schlimm wäre).

[-AB-]

Stimmt. Braucht dann natürlich etwas mehr Platz. Aber wenn die immer nur 1-2 Sekunden leuchten müssen, dann reicht diese Platine schon als Kühlkörper, was ja auch wieder ein Vorteil ist. Ggf. könnte man sie auch mit wenig Strom im Dauerbetrieb laufen lassen und nur für die Belichtung mit (mehr oder weniger) vollem Strom betreiben. Dann reichen vmtl. schon einige Millisekunden.

Hm, Millisekunden klingt kurz. Man könnte zwar auch LEDS an, Kamera an, Bild abholen, LEDs aus, Kamera aus, schauen, ob auf dem Bild was sinnvolles gefunden wurde, wenn nicht von vorne anfangen - aber das könnte u.U. zu relativ grellem Flackern führen, was sicher nicht so angenehm ist. Also lieber anlassen, bis wir gesehen haben, wonach wir suchen.

Einen 1-cm-Ring um die Kamera zu setzen sollte durchaus machbar sein. Die neue wird definitiv kleiner als die alte, der Platz ist da.

Hab ein paar ~100Lux Leds

Nein, hast Du nicht.

Hast Recht, hab ich nicht. Wie komm ich denn auf Lux? Die superfLUX LEDs müssen mich durcheinander gebracht haben.

Der Ausgang der Konstantstromquelle wird dabei trotzdem nicht pulsweitenmoduliert.

Das ist natürlich ideal.

-AB- braucht aber eine Niederspannungs-KSQ (der Roboter ist wohl autark). Ist aber auch kein Problem. In dem Fall eine LDH-45A verwenden (12V Eingang z.B.: https://www.leds.de/meanwell-ldh-45a-10 ... 95279.html ) oder LDH-45B (24V Eingang). Diese können per PWM gedimmt werden (PWM-Spannung zwischen 2 und 8V, PWM Frequenz 1-10 KHz - ideal wohl 2.5 KHz). Passt also prima zum Raspi Laut Datenblatt (http://www.meanwell-bg.com/files/Models/LDH-45-spec.pdf ) ändert sich hier auch der Ausgangsstrom mit der duty rate des PWM Signals und der Ausgang ist nicht PWM moduliert (wobei das bei 2.5 KHz auch nicht mehr schlimm wäre).

Perfekt!
Ich würd mir also das LDH-45B-1050W zulegen. Aufgrund der Größe passt das eh nicht direkt neben die LEDs, der Strom muss also durch ein 90cm langes Kabel durch, dadurch sollte noch ein bisschen Strom verloren gehen. Trotzdem sollte ich die LEDs wohl nur (maximal, dauerhaft) mit 70% oder so betreiben.

Zusätzlich hat das Ding wohl noch einen remote on/off, also vermutlich einen Fühler, wo man eine Spannung anlegen kann, um das Ding zu starten - perfekt, denn ich will nicht, dass die LEDs durchbrennen bis der RasPi gebootet ist und die Stärke per PWM runter regelt
*Kopfkratz* Das Ding regelt die Spannung auch hoch, richtig? Also wäre sogar für mehr als 7 LEDs genug Spannung da. Ausgangsspannung 43 Volt sagt es, durch 3 Volt pro LED wären 14 LEDs (so viele krieg ich eh nicht da drum).
Kühlung wird wohl dann das größte Problem. Aber das ist vmtl. schwer abzuschätzen, weil a) der Greifer und die Kamera direkt daneben liegen und zusätzlich Wärme erzeugen und b) noch nicht ganz klar ist, wie lange die LEDs anbleiben. Aber ich bin optimistisch. Ein paar Kühlkörper zurecht sägen und -feilen sollte auch machbar sein. Im schlimmsten Fall muss doch noch ein
Lüfter drauf...

Sehr fein. Ich les mal Datenblätter und find bisschen mehr über die GPIO-Pins vom RasPi raus.

Danke schonmal an alle

[Borax]

Das Ding regelt die Spannung auch hoch...

Ja. Deshalb muss auch die Spannung der angeschlossenen LEDs aber auch über der Eingangsspannung liegen. Bei 24V Eingangsspannung solltest Du also mind. 9 LEDs anschließen. Falls Du nur 7 oder 8 anschließen willst, das LDH-45A-1050W verwenden und mit 12V betreiben.

Man könnte zwar auch LEDS an, Kamera an, Bild abholen, LEDs aus, Kamera aus, schauen, ob auf dem Bild was sinnvolles gefunden wurde, wenn nicht von vorne anfangen

Das wäre ja wohl auch nur 'im Notfall' nötig. Z.B. falls extrem viel externes Licht da ist (z.B. Sonne). Im Normalfall würde das mit gedimmtem Licht vmtl. locker reichen.