In-Line-Beleuchtung
Edmund Optics Inc.

In-Line-Beleuchtung

Dies ist der Abschnitt 11.2 des Leitfadens zur Bildverarbeitung.

Die In-Line-Beleuchtung ist eine spezielle Beleuchtungsart, bei der die Beleuchtung in den Strahlengang des Bildverarbeitungsobjektivs integriert wird, in der Regel mit Hilfe eines faseroptischen Lichtleiters oder einer LED-Lichtquelle und einer Strahlteiler-Optik. Die Verwendung eines Strahlteilers, um die Beleuchtung in den Abbildungsstrahlengang zu integrieren, ist der Verwendung einer axialen Beleuchtung sehr ähnlich, mit dem Unterschied, dass sich der Strahlteiler innerhalb der Linsenbaugruppe befindet und nicht vor ihr. Dadurch ist die In-Line-Beleuchtung kompakter als die diffuse axiale Beleuchtung. Die In-Line-Beleuchtung ist eine Form der Hellfeld-Beleuchtung und gerichteter als die diffuse axiale Beleuchtung, die eine Mischung aus Hellfeld- und Dunkelfeld-Beleuchtung ist. Im speziellen Fall der telezentrischen Objektive (Abbildung 1) ist die In-Line-Beleuchtung die einzige Möglichkeit, eine reflektierte Hellfeldbeleuchtung über das gesamte Bildfeld (FOV) des Objektivs zu erhalten, da jegliche Beleuchtung vor dem Objektiv außerhalb des FOV des Objektivs liegt (siehe Abschnitt 11.1).
Schema der In-Line-Beleuchtung in einem telezentrischen Objektiv.
Abbildung 1: Schema der In-Line-Beleuchtung in einem telezentrischen Objektiv.

Völlig unterschiedliche Ergebnisse erhält man auch, wenn man die In-Line-Beleuchtung mit der Hintergrundbeleuchtung vergleicht. Abbildung 2 zeigt ein positives USAF-51-Auflösungstestbild, Chrom auf Glas, das sowohl mit Hellfeldbeleuchtung als auch mit In-Line-Beleuchtung beleuchtet wurde.

USAF-51-Kontrastestbild, Chrom auf Glas, mit Hintergrundbeleuchtung (Abbildung 2a) und In-Line-Beleuchtung (Abbildung 2b)
Abbildung 2: USAF-51-Kontrastestbild, Chrom auf Glas, mit Hintergrundbeleuchtung (Abbildung 2a) und In-Line-Beleuchtung (Abbildung 2b).

Der unmittelbarste Unterschied zwischen den beiden Beleuchtungsarten ist die vollständige Umkehrung des Kontrasts zwischen den beiden Bildern. Außerdem sind die Defekte auf dem Testbild im Bild mit Hintergrundbeleuchtung besser zu erkennen, was je nach Anwendung ein positiver oder negativer Effekt sein kann. Interessanterweise führt die stark reflektierende Beschaffenheit des Testbildes zu einem um etwa 10% besseren Kontrast des In-Line-Bildes im Vergleich zum Hellfeldbild – der Grund dafür wird weiter unten erläutert.

Wann sollte man eine In-Line-Beleuchtung verwenden?

Wenn man den Einsatz von In-Line-Beleuchtung in Erwägung zieht, ist es wichtig, genau zu wissen, wo sie anwendbar ist und wo nicht. Die In-Line-Beleuchtung ist aufgrund der Beschaffenheit der Strahlen auf dem Beleuchtungsgang ideal für die Inspektion spiegelnder oder halbspiegelnder Objekte, wie Halbleiterwafer oder CCDs. Mit zwei verschiedenen telezentrischen Objektiven, eines mit In-Line-Beleuchtung und eines mit Ringlicht, werden die Unterschiede zwischen Dunkelfeld (mit Ringlicht) und In-Line-Beleuchtung auf demselben CCD deutlich. Die Bilder sind in Abbildung 3 dargestellt.

Vergleich der Dunkelfeld-Beleuchtung (links) mit der Hellfeld-In-Line-Beleuchtung (rechts)
Abbildung 3: Vergleich der Dunkelfeld-Beleuchtung (links) mit der Hellfeld-In-Line-Beleuchtung (rechts).
Darkfield IlluminationHellfeld In-Line-Beleuchtung
Kontrastarme Drähte Hoch kontrastreiche Drähte
Helle Abplatzung auf der Frontplatte Dunkle Abplatzung auf der Frontplatte
Kontrastreiches Bild in einigen Bereichen, aber uneinheitlich über das gesamte Feld Gleichmäßige Ausleuchtung mit gleichmäßigem Kontrast zwischen den Merkmalen
Tabelle 1: Vergleich von Hellfeld- und In-Line-Beleuchtung.

Für die Prüfung der Drähte entlang des CCD-Randes wäre eine In-Line-Beleuchtung die bessere Wahl, da der Kontrast zwischen den Drähten und dem Rest des CCDs höher und gleichmäßiger ist. Wie in Abbildung 4 zu sehen ist, erscheinen die Drähte in Abbildung 3 im Vergleich zum Hintergrund bei der In-Line-Beleuchtung deshalb schwärzer, weil der Hintergrund spiegelnd ist und das gesamte Licht direkt in das Objektiv zurückwirft, während die diffusen Drähte nur einen kleinen Teil des Lichts zurück in das Objektiv streuen. Bei der Dunkelfeld-Beleuchtung ist der Hintergrund dunkel, da der größte Teil der spiegelnden Reflexion nicht in das Objektiv zurückgelangt. Die Reflexion der Drähte ist ebenfalls schwach, was zu einem geringen Kontrast zwischen den Drähten und dem Hintergrund führt.

Bei der Dunkelfeld-Beleuchtung werden die vom Ringlicht ausgehenden Strahlen vom Objekt in das Objektiv gestreut. Die Reflexionen variieren aufgrund des Winkels der einzelnen Lichtquellen im Ringlicht sowie des Winkels der Drähte selbst in Bezug auf die CCD-Oberfläche und das Lötmaterial an den Spitzen, weshalb die Reflexionen ungleichmäßige Pixelwerte über die Länge des Drahtes aufweisen. Bei der In-Line-Beleuchtung werden alle Strahlen vom Objekt reflektiert und vom Objektiv weg gestreut, so dass nur ein sehr geringer Teil des Lichts, das auf die Drähte trifft, zurück in das Objektiv und auf den Sensor reflektiert wird. Aufgrund des gleichmäßigeren Kontrasts des Hintergrunds und des stärkeren Kontrasts der Drähte ist die In-Line-Beleuchtung für die Inspektion der Drähte besser geeignet als die Dunkelfeld-Beleuchtung.

Wenn das CCD-Deckglas auf Dellen oder Abplatzungen untersucht werden soll, wäre eine In-Line-Beleuchtung ebenfalls die vorteilhaftere Wahl, da das Gesamtbild einen viel gleichmäßigeren Kontrast aufweist. Die dunklen Abplatzungen, die mit der In-Line-Beleuchtung gezeigt werden, würden mit einem viel höheren Kontrast zum unruhigen CCD-Hintergrund erscheinen als die Abplatzungen, die in dem mit einem Dunkelfeldsystem erzeugten Hochkontrastbild abgebildet werden, wie in Abbildung 3 gezeigt.

Bei der Dunkelfeld-Ringlicht-Beleuchtung (links) wird das meiste, aber nicht das gesamte von einem spiegelnden Objekt reflektierte Licht nicht in das Objektiv zurückgeworfen, während bei der In-Line-Beleuchtung (rechts) im Wesentlichen das gesamte Licht vom spiegelnden Objekt reflektiert wird und in das Objektiv zurückgelangt.
Abbildung 4: Bei der Dunkelfeld-Ringlicht-Beleuchtung (links) wird das meiste, aber nicht das gesamte von einem spiegelnden Objekt reflektierte Licht nicht in das Objektiv zurückgeworfen, während bei der In-Line-Beleuchtung (rechts) im Wesentlichen das gesamte Licht vom spiegelnden Objekt reflektiert wird und in das Objektiv zurückgelangt.

Wann sollte man keine In-Line-Beleuchtung verwenden?

Aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile wird häufig angenommen, dass die In-Line-Beleuchtung bei Systemen mit eingeschränktem Platzangebot immer die bessere Wahl ist. Leider ist dies nicht die beste Lösung für alle Anwendungen. Diffuse oder schwach reflektierende Objekte lassen sich mit verschiedenen Beleuchtungsverfahren besser abbilden. Durch das Anbringen eines Strahlteilers im Strahlengang eines Beleuchtungssystems werden mehrere Streulichtquellen in ein In-Line-Beleuchtungssystem eingebracht, und die einzige Möglichkeit, dieses Problem vollständig zu beheben, würde zu noch schwerwiegenderen Problemen im optischen Strahlengang führen. Daher wird immer Licht von der Beleuchtungsquelle auf den Sensor gelangen, ohne dass es vom Objekt reflektiert oder gestreut wird. Dadurch entsteht ein Schleier über dem Bild, der verhindert, dass die schwarzen Bereiche des Objekts im Bild wirklich schwarz sind. Dieser Kontrastverlust ist nicht immer ein Problem, kann aber bei Anwendungen mit geringem Signalpegel, z. B. bei der Abbildung diffuser oder dunkler Objekte, ein Problem darstellen. Ein Beispiel hierfür ist in Abbildung 5 zu sehen, wo ein Ringlicht ein hölzernes Objekt gleichmäßig beleuchtet, das in-line beleuchtete Bild jedoch grau ist und in der Mitte einen Hot Spot aufweist.

Vergleich eines Holzobjekts, das mit einem Ringlicht (links) und einer In-Line-Beleuchtung (rechts) beleuchtet wird.
Abbildung 5: Vergleich eines Holzobjekts, das mit einem Ringlicht (links) und einer In-Line-Beleuchtung (rechts) beleuchtet wird.
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