Die richtige Beleuchtungstechnik

Wichtige Aspekte für die Auswahl einer geeigneten Beleuchtung für Bildverarbeitungsanwendungen

  • Der Beitrag der Beleuchtung zur Bildqualität ist ebenso maßgeblich, wie die Wahl des Sensors bzw. der Kamera und der Optik.Der Beitrag der Beleuchtung zur Bildqualität ist ebenso maßgeblich, wie die Wahl des Sensors bzw. der Kamera und der Optik.
  • Der Beitrag der Beleuchtung zur Bildqualität ist ebenso maßgeblich, wie die Wahl des Sensors bzw. der Kamera und der Optik.
  • Abb. 1: Vergleich zwischen diffuser und telezentrischer Hintergrundbeleuchtung. Die oben in blau eingezeichneten Strahlen führen zu einer Reduktion des Kantenkontrasts.
  • Abb. 2: Vergleich des Strahlengangs für ein gewölbtes Objekt. links für ein Ringlicht, rechts mit einem in-line Objektiv.

Beim Design eines Bildverarbeitungssystems wird die Wahl der richtigen Beleuchtung oftmals unterschätzt. Dabei ist der Beitrag der Beleuchtung zur Bildqualität ebenso maßgeblich, wie die Wahl des Sensors bzw. der Kamera und der Optik. Dass diese Wahl nicht unbedingt einfach ist, hängt mit den enormen Unterschieden der zu prüfenden Objekte zusammen, die einem im Rahmen der industriellen Bildverarbeitung begegnen können.

Bei der Wahl der richtigen Beleuchtung ist die erste Frage, die man sich stellen sollte: Wie kann das Objekt so beleuchtet werden, dass die kritischen Features mit möglichst hohem Kontrast aus dem Bild herausstechen? Hierfür muss man verstehen, auf welchem Weg das Licht von der Quelle zum Objekt gelangt, wie es von diesem gestreut oder reflektiert wird, und wie dieses Licht vom Objektiv aufgenommen und auf den Sensor abgebildet wird. Diese Aspekte sollen am Beispiel ausgewählter Beleuchtungstechniken zu einem besseren Verständnis dieser Themen beitragen und somit die Auswahl der passenden Beleuchtung vereinfachen.

Auflichtbeleuchtung mit Ringlichtern

Die wohl am weitesten verbreitete Beleuchtungstechnik wird mit Ringlichtern umgesetzt, welche in einer Vielzahl unterschiedlicher Größen und mit LEDs mit verschiedener Wellenlänge erhältlich sind. Deren symmetrische Anordnung gewährt eine homogene Ausleuchtung des Sichtfelds und vermeidet, bei nicht allzu komplexer Form des Objekts, weitgehend Schattenwürfe. Entscheidend bei der Wahl des Ringlichts ist der durch die Anwendung vorgegebene Arbeitsabstand, da dieser letztlich den optimalen Winkel der LEDs im Ringlicht bestimmt. Ist dieser Aspekt berücksichtigt, muss noch der Reflexionsgrad des Objekts in Betracht gezogen werden. Bei stark reflektierenden Gegenständen werden unter Umständen die direkten Reflexe der LEDs auf den Sensor abgebildet und sättigen diesen. Sofern dies nicht durch geometrische Maßnahmen (andere Orientierung des Objekts, anderer Abstand zwischen Ringlicht und Objekt) behoben werden kann, bleiben noch zwei weitere Möglichkeiten, um diesen Effekt zu vermeiden oder diesem zumindest entgegenzuwirken, dies jedoch zu Ungunsten der Messgeschwindigkeit. Zum einen kann man Ringlichter mit Diffusor verwenden, so dass es gar nicht erst zu direkten Reflexen kommen kann.

Zum anderen kann man mit Hilfe von Polarisationsfolien bzw. Polarisationsfiltern diese Reflexe herausfiltern. Bei beiden Optionen bleibt zu prüfen, ob die längere Belichtungszeit der Kamera mit der Anwendung vereinbar ist. Ist dies nicht der Fall, empfiehlt es sich auf eine andere Beleuchtung zurückzugreifen.

Ringlichter mit extrem flachen Einfallswinkel, die nur wenige Millimeter über dem Prüfobjekt platziert werden, eignen sich speziell zur Inspektion von strukturierten, flachen Oberflächen. Mit diesem Aufbau wird der Großteil des Lichts von den unstrukturierten Bereichen reflektiert und erreicht somit nicht die Kamera, so dass die entsprechenden Stellen im Bild dunkel erscheinen. Jegliche Struktur oder Verunreinigung auf der ansonsten flachen Oberfläche hingegen streut das flach einfallende Licht in alle Richtungen und dieses Licht wird von der Kamera erfasst. Dadurch erscheinen diese Strukturen mit sehr gutem Kontrast in dem entstehenden Bild. Der Nachteil hierbei ist allerdings die lange Belichtungszeit, da wie beschrieben der Großteil des Lichts nie die Kamera erreicht. Daher auch die Bezeichnung „Dunkelfeldbeleuchtung“.

Koaxialbeleuchtungen

Wie oben beschrieben eignen sich Ringlichter besonders für raue, diffus streuende Objekte, denn in Verbindung mit flachen, glänzenden oder stark reflektierenden Gegenständen (z.B. Text unter einer Folie, Leiterplatten, etc.) erhält man mit Ringlichtern eventuell direkte Reflexe oder ein in der Mitte unterbeleuchtetes Bild. In diesem Fall sind koaxiale Beleuchtungen besser geeignet, da hierbei die diffuse Lichtquelle über einen Strahlteiler das Sichtfeld ausleuchtet. Die Kamera wird bei diesem Aufbau hinter dem Strahlteiler positioniert und ist somit durch den Strahlteiler hindurch auf das Objekt gerichtet.

Dombeleuchtung

Eine weitere Form der Beleuchtung, die Dombeleuchtung, eignet sich speziell für gekrümmte oder komplex geformte, stark reflektierende Objekte. Bei der klassischen Dombeleuchtung strahlen ringförmig angeordnete LEDs von unten in eine diffus streuende Kuppel, in deren Mitte sich ein Loch für die Kamera befindet. Als Folge erhält man eine sehr gleichmäßige Beleuchtung mit einer sehr großen Winkelverteilung, die sehr effizient ungewollte Schattenbildung vermeidet. Wie bei jeder diffusen Beleuchtung ist auch hier nachteilig, dass man mit der Dombeleuchtung sehr nah an das Objekt herangehen muss, um die Belichtungszeit möglichst klein zu halten. Weiterhin benötigen Dombeleuchtungen vergleichsweise viel Platz und sind insbesondere bei großen Prüfobjekten meist nicht praktikabel. Eine interessante Alternative bieten hier jedoch die Flat Dome Beleuchtungen, welche die genannten Nachteile durch ihre flache Bauweise vermeiden.

Hintergrundbeleuchtungen

Kompakte, diffuse Hintergrundbeleuchtungen sind für transparente Objekte das Mittel der Wahl. Sofern es sich jedoch um Messaufgaben handelt, bei der die Silhouette eines Gegenstands mit einem telezentrischen Objektiv vermessen werden soll, empfiehlt es sich, eine telezentrische Hintergrundbeleuchtung zu verwenden. Typischerweise wird hier das Licht einer LED- oder Halogenlampe über eine Faser in eine kollimierende Optik gekoppelt. Durch das parallele Licht erscheinen die Kanten der Silhouette deutlich ausgeprägter, wie in Abb. 1 schematisch dargestellt, wodurch eine genauere Vermessung des Gegenstands ermöglicht wird. Neben der Verbesserung des Kantenkontrasts wirkt sich die Verwendung einer telezentrischen Beleuchtung auch positiv auf die Belichtungszeit aus. Nachteilig sind jedoch der deutlich größere Platzbedarf und die höheren Anschaffungskosten.

In-line Beleuchtung bei telezentrischen Objektiven

Oftmals werden telezentrische Objektive mit einer optionalen In-line Beleuchtung angeboten. Hierbei wird eine Lichtquelle entweder direkt oder über eine Faser seitlich in das Objektiv eingekoppelt und durch einen Strahlteilerwürfel umgelenkt. Dieser befindet sich in der Brennebene der vorderen Objektivbaugruppe, wodurch das Licht in guter Näherung kollimiert wird und das Objektiv als paralleles Strahlenbündel verlässt. Diese Beleuchtungstechnik scheint sehr elegant, da sie sehr kompakt ist und das Licht homogen über dem betrachteten Sichtfeld verteilt wird. Für viele Anwendungen ist diese Technik allerdings vollkommen ungeeignet, was man schnell einsehen kann, wenn man bedenkt, wie das Bild in diesem Spezialfall zustande kommt. Das telezentrische Objektiv wird nur Lichtstrahlen auf den Sensor abbilden, die parallel zur optischen Achse vom Objekt zurück reflektiert werden. Legt man also einen Spiegel unter ein telezentrisches Objektiv mit In-line Beleuchtung, würde man ein homogenes Bild erhalten, bei dem jeder Pixel den gleichen Grauwert aufweist. Hat der Spiegel einen Kratzer oder eine Verunreinigung, würde das ursprünglich parallele Licht an dieser Stelle in alle Richtungen zerstreut, wodurch es nicht mehr parallel zum Objektiv zurückgelangt. Die entsprechende Stelle erscheint im Bild dunkel und grenzt sich sehr gut zu dem sauberen Bereich der spiegelnden Oberfläche ab. Der ideale Anwendungsfall für In-line Beleuchtung ist daher die Inspektion von stark reflektierenden, flachen Oberflächen, die senkrecht zur optischen Achse orientiert sind. Wafer, CCD- und CMOS-Sensoren und flache, glatte Metallteile sind sehr gute Beispiele für Anwendungen, bei denen die In-line Beleuchtung ihre Stärken ausspielen kann. Sobald die Oberfläche aber gewölbt, gekrümmt oder nicht unter 0 Grad orientiert ist, gelangt nur noch ein Bruchteil des Lichts zurück durch das Objektiv und es können keine brauchbaren Resultate erzielt werden (vgl. Abb. 2). Das gleiche gilt für diffus streuende Oberflächen und Objekte.

 

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