Typische Beleuchtungsarten

Dies ist der Abschnitt 11.1 des Leitfadens zur Bildverarbeitung

Oft hat ein Kunde Probleme mit Kontrast und Auflösung eines Bildgebungssystems, weil er unterschätzt, wie wichtig die richtige Beleuchtung ist. In der Tat kann die gewünschte Bildqualität durch bessere Systembeleuchtung einfacher und effizienter erreicht werden, als durch Kameras mit höherer Auflösung und besseren Objektiven oder Software. Systemintegratoren dürfen nicht vergessen, dass die richtige Lichtstärke im endgültigen Bild von der Auswahl der richtigen Komponenten abhängt.

Die korrekte Beleuchtung ist für ein Bildgebungssystem sehr wichtig, eine unzureichende Beleuchtung kann diverse Bildprobleme verursachen. Beispielsweise können Blooming oder lokale Überbelichtung, ebenso wie Schatten wichtige Bildinformationen verbergen. Schatten können außerdem dazu führen, dass bei Messungen Kanten falsch erkannt werden und somit Messfehler entstehen. Eine schlechte Beleuchtung kann auch ein niedriges und damit schlechteres Signal-Rausch-Verhältnis verursachen. Insbesondere eine uneinheitliche Ausleuchtung kann sich in dieser Beziehung besonders negativ auswirken und beispielsweise die Erkennung von Schwellenwerten erschweren. Dies sind nur einige der Gründe, weshalb die korrekte Beleuchtung für Ihre Anwendung so wichtig ist.

Die Nachteile einer schlechten Beleuchtung sind offensichtlich, aber wie können sie vermieden werden? Um beim Aufbau eines Systems die optimale Beleuchtung sicherzustellen, muss berücksichtigt werden, welche Rolle die einzelnen Komponenten spielen. Jede Komponente hat einen Einfluss auf die Menge des Lichts, das auf den Sensor fällt und damit auf die Bildqualität des Systems. Die Blende des Objektivs (f/#) beeinflusst die Lichtmenge, die in die Kamera gelangt. Wenn die Objektivapertur klein ist (größere Blendenzahl f/#), sollte eine hellere Beleuchtung gewählt werden. Stark vergrößernede Objektive erfordern in der Regel ebenfalls eine stärkere Beleuchtung, da kleinere Bildfelder weniger Licht in das Objektiv reflektieren. Neben dem gewählten Objektiv spielt natürlich auch die Lichtempfindlichkeit der Kamera eine Rolle, wenn die Intensität der Beleuchtung bestimmt wird. Die Empfindlichkeit des Sensors hängt andererseits wieder von den Kameraeinstellungen ab, wie z.B. vom Gain und der Verschlusszeit. Bei der Verwendeung einer faseroptischen Beleuchtung, muss die Abstimmung von Lichtquelle und Lichtleiter ebenfalls aufeinander und auf den übrigen Aufbau abgestimmt sein, um optimale Ausleuchtung des Objekts zu garantieren.

Tabelle 1: Wichtige fotometrische Einheiten
1 footcandle	= 1 lumen/ft²
1 footcandle	= 10.764 meter candles
1 footcandle	= 10.764 lux
1 candela	= 1 Lumen/Raumwinkel
1 candela	= 3.142 x 10^-4 Lambert
1 Lambert	= 2.054 candle/in²
1 lux	= meter candle
1 lux	= 0.0929 footcandle
1 meter candle	= 1 lumen/m²

Die Lichtstärke unserer Beleuchtungsprodukte wird in der Regel in Foot-candles (angloamerikanische Maßeinheit) angegeben. Die SI-Maßeinheit ist Lux, Foot-candles können entsprechend der Relation 1 Lux = 0,0929 footcandle in Lux umgerechnet werden.

Tabelle 2: Vergleich von Beleuchtungen
Anwendungsanforderung	Zu prüfendes Objekt	Empfohlene Beleuchtungsart
Minimierung direkter Reflexe	Glänzendes Objekt	Diffuses Frontlicht, diffuse axiale Beleuchtung, polarisiertes Licht
Gleichmäßige Ausleuchtung des Objekts	Beliebiges Objekt	Diffuses Frontlicht, diffuse axiale Beleuchtung, Ringlicht
Oberflächenfehler oder Topologie hervorheben	Nahezu planes (2D-) Objekt	Strukturiertes, gerichtetes Licht
Textur eines Objekts mit Schatten hervorheben	Beliebiges Objekt	Gerichtetes, strukturiertes Licht
Schatten verringern	Objekt mit Vorsprüngen, 3D-Objekt	Diffuses Frontlicht, diffuse axiale Beleuchtung, Ringlicht
Fehler im Objekt hervorheben	Transparentes Objekt	Dunkelfeldbeleuchtung
Objektsilhouette darstellen	Beliebiges Objekt	Hintergrundbeleuchtung
3D-Profilierung eines Objekts	Objekt mit Vorsprüngen, 3D-Objekt	Strukturiertes Licht

Arten der Beleuchtung

Da die richtige Beleuchtung oft über Erfolg oder Misserfolg eines Systems entscheidet, wurden viele spezifische Produkte und Verfahren entwickelt, um die häufigsten Beleuchtungsprobleme zu beseitigen. Das in diesem Abschnitt verwendete Testbild wurde entwickelt, um die Stärken und Schwächen der einzelnen Beleuchtungskonzepte für die unterschiedlichen Objekteigenschaften zu demonstrieren. Die Rillen, Farben, Oberflächenverformungen und die spiegelnden Bereiche auf dem Testbild zeigen die Probleme auf, die in der Praxis am häufigsten auftreten.

Gerichtete Beleuchtung – Beleuchtung mit Punktlichtquelle aus einer oder mehreren Richtungen. Es können zusätzliche Optiken verwendet werden, um das Licht zu fokussieren oder aufzuweiten.
Vorteile	Helle, flexible Beleuchtung für verschiedene Anwendungen. Einfacher Einbau in verschiedene Systeme.
Nachteile	Glanz / direkte Reflexe und Schattenbildung.
Nützliche Produkte	Faseroptische Lichtleiter, Fokussieroptiken für Lichteiter, LED-Punktstrahler und traditionelle Lichtquellen mit Glühlampe.
Anwendung	Prüfung und Vermessung matter und flacher Objekte.

Glänzende Beleuchtung – Beleuchtung mit Punktlichtquelle, ähnlich wie bei der gerichteten Beleuchtung, aber mit spitzem Einfallswinkel.
Vorteile	Zeigt die Oberflächenstruktur und hebt die Topografie des Objekts hervor.
Nachteile	Lokale Überbelichtung durch Reflektionen und extreme Schatten.
Nützliche Produkte	Faseroptische Lichtleiter, Fokussieroptiken für Lichtleiter, LED-Punktstrahler und faseroptische Linienlichter.
Anwendung	Erkennung von Defekten in einem Objekt mit Tiefe und Prüfung der Oberfläche lichtundurchlässiger Objekte.

Diffuse Beleuchtung – Diffuse, gleichmäßige Beleuchtung von einer ausgedehnten Lichtquelle.
Vorteile	Reduziert Glanz und bietet eine gleichmäßige Ausleuchtung.
Nachteile	Große Bauweise und damit bei Beschränkung der Gesamtgröße nur schwer zu integrieren.
Nützliche Produkte	Linienlichter mit Fluoreszenzlampen.
Anwendung	Am besten geeignet für Bilder von großen, glänzenden Objekten bei großen Arbeitsabständen.

Ringlicht – Koaxiale Beleuchtung, die direkt am Objektiv befestigt wird.
Vorteile	Reduzierter Schattenwurf und gleichmäßige Beleuchtung bei Einhaltung der richtigen Arbeitsabstände.
Nachteile	Ringförmige Spiegelung auf reflektierenden Flächen; Eignet sich nur für relativ kurze Arbeitsabstände.
Nützliche Produkte	Faseroptische Ringlichter, Ringlichter mit Fluoreszenzlampen, LED-Ringlichter.
Anwendung	Für viele Prüf- und Messsysteme mit matten Objekten.

Diffuse axiale Beleuchtung – Diffuse Beleuchtung in der optischen Achse. Das Objektiv blickt durch einen Strahlteiler auf das Objekt, über den gleichzeitig die Beleuchtung koaxial eingekoppelt wird.
Vorteile	Sehr gleichmäßige und diffuse Beleuchtung, kaum Schattenwurf, sehr geringe Spiegelungen.
Nachteile	Groß und schwer einzubauen, eingeschränkter Arbeitsabstand. Geringe Transmission durch den Strahlteiler, eventuell mehrere Lichtquellen notwendig.
Nützliche Produkte	Diffuser axialer Beleuchtungsadapter, eine oder mehrere faseroptische Lichtquellen. Einzelne, doppelte oder vierfache Faserbündel je nach Adapter und Zahl der Lichtquellen. AI diffuse axiale Beleuchtung.
Anwendung	Messung und Prüfung von glänzenden Objekten.

Strukturierte Beleuchtung / Liniengeneratoren – Lichtmuster werden auf das Objekt projiziert. In der Regel werden Laser genutzt um Linien, Punkte, Gitter oder Kreise zu projizieren.
Vorteile	Hebt die Oberflächentopographie und Kanten hervor. Kann zur Erfassung von Tiefeninformationen über das Objekt verwendet werden.
Nachteile	Kann Blooming verursachen und wird von manchen Farben absorbiert.
Nützliche Produkte	Laser mit Liniengeneratoren oder Projektionsköpfen.
Anwendung	Prüfung der Oberfläche dreidimensionaler Objekte. Topografiemessungen.

Structured Light Illumination on a Target

Polarisiertes Licht – Eine gerichtete Beleuchtung, die polarisiertes Licht nutzt, um Spiegelungen zu unterdrücken.
Vorteile	Gleichmäßige Beleuchtung der gesamten Fläche des Objekts im polarisierten Licht. Reduziert Spiegelungen und hebt so die Oberflächeneigenschaften hervor.
Nachteile	Die Gesamtlichtstärke wird durch den Polarisationsfilter vor der Lichtquelle und / oder vor dem Objektiv reduziert.
Nützliche Produkte	Polarisationsfilter und Adapter für Polarisator / Analysator.
Anwendung	Messung und Prüfung von glänzenden Objekten.

Dunkelfeldbeleuchtung – Licht tritt in ein transparentes oder teilweise lichtdurchlässiges Objekt durch die Seiten ein. Die Seiten müssen senkrecht zur optischen Achse stehen.
Vorteile	Hoher Kontrast bei internen Details und Oberflächendetails. Hebt Kratzer, Risse und Bläschen in durchsichtigen Objekten deutlich hervor.
Nachteile	Schlechter Kantenkontrast. Für undurchsichtige Objekte nicht geeignet.
Nützliche Produkte	Dunkelfeldanbau für faseroptische Ringlichter, faseroptische Linienlichter und Laserliniengeneratoren.
Anwendung	Zur Prüfung von Glas und Kunststoffen.

Hellfeld-Hintergrundbeleuchtung – Das Objekt wird von hinten beleuchtet. Wird zur Abbildung der Shilouetten undurchsichtiger Objekte oder zu Abbildung transparenter Objekte genutzt.
Vorteile	Hoher Kontrast zur Kantenerkennung.
Nachteile	Oberflächendetails werden eliminiert.
Nützliche Produkte	Faseroptische Hintergrundbeleuchtung und LED-Hintergrundbeleuchtung.
Anwendung	Testbilder und Testmuster, Kantenerkennung, Vermessung undurchsichtiger Objekte und Sortierung von transparenten, farbigen Objekten.

Brightfield/Blacklight Illumination on a Target

Brightfield/Blacklight Illumination Setup

VERSCHIEDENE KONTRASTSTUFEN DURCH FILTER

Beispiele sind die Dunkelfeldbeleuchtung und die Hintergrundbeleuchtung mit verschiedenen Farbfiltern. Hinweis: Aufgenommen mit 10x Nahfokuszoomobjektiv Nr. 54-363: Bildfeld = 30 mm, Arbeitsabstand = 200 mm.

Einfache Dunkelfeldbeleuchtung Defekte erscheinen weiß.

Dunkelfeldbeleuchtung mit Blaufilter Defekte erscheinen blau.

Dunkelfeldbeleuchtung und Hinterleuchtung Auch ohne Filter verbessert sich der Kantenkontrast.

Darkfield without Filter and Backlight with Yellow Filter

Dunkelfeldbeleuchtung ohne Filter und Hinterleuchtung mit Gelbfilter Bessere Gesamtkontraste, Defekte erscheinen weiß und heben sich vom Rest des Bildfeldes ab.

Bildoptimierung mit Polarisationsfiltern

Ein Polarisationsfilter eignet sich zur Beseitigung von Spiegelungen und hebt Oberflächenfehler in einem Bild hervor. Ein Polarisationsfilter kann entweder an der Lichtquelle oder am Objektiv oder an beiden Teilen montiert werden, je nachdem, welches Objekt geprüft werden soll. Wenn sowohl an der Lichtquelle, als auch am Objektiv Polarisationsfilter verwendet werden sollen, dann müssen deren Polarisationsachsen gekreuzt sein. Im Folgenden finden Sie Methoden, wie für verschiedene Materialen und Situationen Spiegelungen mit Hilfe von Plarisationsfiltern unterdrückt werden können.

Problem 1

Das Objekt ist nichtmetallisch, die Beleuchtung erfolgt mit einem spitzen Einfallswinkel.

Lösung 1

In der Regel genügt ein Polarisationsfilter vor dem Objektiv, um Spiegelungen auszuschalten. Der Polarisationsfilter wird so lange gedreht, bis die Spiegelung minimal ist. Wenn immer noch Spiegelungen vorhanden sind, kann ein weiterer Polarisationsfilter vor der Lichtquelle hinzugefügt werden.

Ohne Polarisationsfilter

Mit Polarisationsfilter

Problem 2

Das Objekt ist metallisch oder hat eine glänzende Oberfläche.

Lösung 2

Wir empfehlen den Anbau eines Polarisationsfilters an der Lichtquelle sowie am Objektiv, um den Kontrast zu erhöhen und Oberflächendetails hervorzuheben. Das polarisierte Licht, das auf die glänzende Oberfläche fällt, bleibt auch nach der Reflexion polarisiert. Oberflächenfehler in dem Metall ändern dagegen die Polarisation des reflektierten Lichts. Wird der Polarisationsfilter am Objektiv so gedreht, dass die Polarisationsachsen der beiden Filter senkrecht aufeinander stehen, verringern sich die Spiegelungen und Vertiefungen und Kratzer in der Oberfläche werden sichtbar.

Ohne Polarisationsfilter

Mit Polarisationsfilter

Problem 3

Das Objekt ist stark reflektierend, hat aber auch diffuse Flächen.

Lösung 3

Mit zwei Polarisationsfiltern, die senkrecht aufeinander ausgerichtet sind, werden die direkten Spiegelungen durch die Metallteile im Bild beseitigt. Der Rest des Bildfeldes wird gleichmäßig beleuchtet, da die diffusen Flächen die Polarisation nicht erhalten und unpolarisiertes Licht zum Objektiv reflektieren.