Hellfeldbeleuchtung in der industriellen Bildverarbeitung

Autoren: Thomas Stard & Rebecca Charboneau

Einführung in die Hellfeldbeleuchtung mit Punkt- und Balkenstrahlern

Hellfeldbeleuchtung ist eine der am häufigsten verwendeten Beleuchtungsgeometrien in der industriellen Bildverarbeitung. Es gibt zwei Arten der Hellfeldbeleuchtung: Voll- und Teilhellfeld. Beim vollen Hellfeld wird eine diffuse Lichtquelle wie ein Ringlicht verwendet, das sich direkt über dem Objekt befindet. Das partielle Hellfeld wird in der Regel durch ein Punkt-, Ring- oder Balkenlicht erzeugt, das in einem Winkel von 90° bis 45° zur Probe ausgerichtet ist (Abbildung 1). Im Vergleich zum vollen Hellfeld ist das partielle Hellfeld die bevorzugte Technik, um mehr Kontrast zu erzeugen und Oberflächenmerkmale hervorzuheben. Die folgenden Bilder zeigen verschiedene Objekte (diffus und spiegelnd) mit partieller Hellfeldbeleuchtung unter Verwendung eines weißen Punkt- oder Balkenstrahlers. Die Bilder wurden mit dem 6-mm-Objektiv mit Festbrennweite der C-Serie und dem 25-mm-Objektiv mit Festbrennweite der C-Serie unter Verwendung des Sensors IMX540 aufgenommen, der für die Objektive mit Festbrennweite der C-Serie auf ein 2/3-Zoll-Sensorformat geändert wurde.

Bildanalyse und Auswertung der Hellfeldbeleuchtung mit Punktstrahlern

Objektiv mit Festbrennweite der C-Serie, 6 mm Brennweite	Objektiv mit Festbrennweite der C-Serie, 25 mm Brennweite
A	A
B	B
C	C
D	D
E	E

Tabelle 1 zeigt Bilder, die mit einem Punktstrahler in Position für eine partielle Hellfeldbeleuchtung aufgenommen wurden. Der Winkel des Punktstrahlers wurde zwischen 90° und 45° variiert, je nachdem, welches Objekt abgebildet werden sollte, um Hotspots und Schatten zu vermeiden. Die Bilder in der linken Spalte oben wurden mit dem 6-mm-Objektiv mit Festbrennweite der C-Serie bei einem Arbeitsabstand von 200 mm aufgenommen, während die Bilder in der rechten Spalte mit dem 25-mm-Objektiv mit Festbrennweite der C-Serie bei einem Arbeitsabstand von 750 mm gemacht wurden. Der größere Arbeitsabstand des 25-mm-Objektivs mit Festbrennweite der C-Serie erleichtert die Positionierung von Punktstrahlern, da die Kamera nicht im Weg ist.

Bei der Abbildung von reflektierenden Objekten wie Leiterplatten (E) oder Metallobjekten (D) kann ein falsch angewinkelter Punktstrahler Hotspots verursachen, wodurch Merkmale wie Gravuren, Kratzer oder Schaltkreise nur schwer zu erkennen sind. Andererseits ist diese Art von Beleuchtungsgeometrie ideal für Anwendungen wie die optische Zeichenerkennung (OCR), um einen hohen Kontrast zu erzeugen, wenn diffuse Objekte wie das Versandetikett abgebildet werden. Obwohl bei Gegenständen mit glänzender Oberfläche wie dem Verschluss (B) und dem Arzneimittelfläschchen (A) Probleme mit Hotspots auftreten können, erzeugt die partielle Hellfeldbeleuchtung einen guten Kontrast auf den topografischen Merkmalen des Verschlusses.

Bildanalyse und Bewertung der Hellfeldbeleuchtung mit Balkenbeleuchtung

Objektiv mit Festbrennweite der C-Serie, 6 mm Brennweite	Objektiv mit Festbrennweite der C-Serie, 25 mm Brennweite
A	A
B	B
C	C
D	D
E	E

Die Bilder in Tabelle 2 wurden mit der gleichen Kamera und dem gleichen Objektiv wie zuvor aufgenommen, mit der Ausnahme, dass eine Balkenbeleuchtung zur Erzeugung der partiellen Hellfeldbeleuchtung verwendet wurde. Die Beleuchtungsstärke der Balkenbeleuchtung ist ähnlich wie die des Punktstrahlers, wie an der Ähnlichkeit der obigen Bilder mit den vorhergehenden, mit Punktstrahler aufgenommenen Bildern zu erkennen ist. Die breite Form des Lichtbalkens erleichtert die Beleuchtung größerer Objekte wie des Etiketts (C). Allerdings wird es dadurch auch schwieriger, reflektierende Bereiche abzubilden, ohne dass durch Kratzer oder Vertiefungen Hotspots entstehen. Der Lichtbalken erzeugt auch ein anderes Blendungsmuster, wie auf dem Arzneimittelfläschchen zu sehen ist (A).

Schlussfolgerung: Die wichtigsten Erkenntnisse für die Integration von Hellfeld-Balken- und Punktstrahlern in Bildverarbeitungssysteme

Dieser Vergleich verschiedener Lichtgeometrien für dieselbe Art von Beleuchtung macht deutlich, wie wichtig die Überlegung ist, welche Art von Objekt abgebildet wird und welche Merkmale von Interesse sind, die einen hohen Kontrast erfordern. Bei diffuseren Objekten bietet sich eine partielle Hellfeldbeleuchtung mit einem Balken- oder Punktstrahler an. Diese Art der Beleuchtung auf diffusen Objekten macht Anwendungen wie die optische Zeichenerkennung oder die Fehlererkennung mit einem System der industriellen Bildverarbeitung sehr effektiv und reduziert Fehler. Reflektierende Objekte neigen zur Bildung von Hotspots und würden von einer diffuseren Beleuchtung wie einer Hellfeldbeleuchtung mit Dombeleuchtung profitieren.

Weiterführende Informationen

• Anwendungshinweis: Hintergrundbeleuchtung in der industriellen Bildverarbeitung
• Anwendungshinweis: Hellfeldbeleuchtung mit Dombeleuchtung für die industrielle Bildverarbeitung
• Anwendungshinweis: Hellfeldbeleuchtung mit Ringlichtern für die industrielle Bildverarbeitung
• Anwendungshinweis: Dunkelfeld-Beleuchtung mit Ringlichtern für die industrielle Bildverarbeitung
• Anwendungshinweis: Telezentrische In-Line-Beleuchtung für die industrielle Bildverarbeitung
• Anwendungshinweis: Bedeutung und Auswahl der korrekten Beleuchtung
• Anwendungshinweis: Beleuchtungshalterungen für Bildverarbeitungsanwendungen
• Anwendungshinweis: Relative Beleuchtung, Randabfall und Vignettierung

Stückliste

• Verwendete Kamera: LUCID Vision Labs Triton2™ TRT245S-MC monochrome Kamera, Sony IMX540, 24,5 MP (TRT245S-MC) (#28-874)
• Verwendete Objektive: Objektiv mit Festbrennweite der C-Serie, 6 mm (#67-709), Objektiv mit Festbrennweite der C-Serie, 25 mm (#59-871), jeweils von Edmund Optics.
• Verwendetes Licht: Advanced Illumination MicroBrite Balkenbeleuchtung mit hoher Intensität, weiß (#18-540) und Advanced Illumination MicroBrite LED-Punktstrahler, weiß (#34-217)