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 | |
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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 | ||
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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. |
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. |
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.
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.
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