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Telezentrische Beleuchtung
Edmund Optics Inc.

Telezentrische Beleuchtung

Das ist der Abschnitt 11.4 des Leitfadens zur Bildverarbeitung.

Theorie | Pro & Kontra | Anwendung

Telezentrisches Objektiv

Für Bildverarbeitungs- und Inspektionsanwendungen sind präzise optische Komponenten und eine genaue Ausrichtung erforderlich, um eine optimale Leistung zu erreichen. Es werden Objektive, Lichtquellen, Kameras und Mechaniken eingesetzt, um nur einige der wichtigsten Komponenten zu nennen. Die Auswahl des passenden Objektivs und der passenden Kamera ist wichtig für den Erfolg des Projekts und auch die Beleuchtung spielt eine entscheidende Rolle. Eine der präzisesten Beleuchtungsarten ist die telezentrische Beleuchtung. Was ist telezentrische Beleuchtung? Wie kann sie helfen bessere Ergebnisse als die standardmäßige Hintergrundbeleuchtung zu liefern? Um diese Fragen zu beantworten, werden hier die Theorie, die Vor- und Nachteile sowie eine Anwendung aus der Praxis vorgestellt.

Theorie telezentrische Beleuchtung

Telezentrie ist eine einzigartige Eigenschaft bestimmter mehrlinsiger Objektivdesigns, bei denen die Hauptstrahlen kollimiert sind und parallel zur optischen Achse im Bild- und Objektraum verlaufen (Abbildung 1). Ein Hauptmerkmal der Telezentrie besteht damit in der konstanten Vergrößerung, unabhängig von der Bild- und Objektlage. Es gibt drei Arten von Telezentrie: objektseitig, bildseitig oder beidseitig. Weitere Informationen erhalten Sie unter Vorteile der Telezentrie.

Skizze: Beispiel von einem Hauptstrahler der parallel zur optischen Achse verläuft
Abbildung 1: Ein Beispiel der Telezentrie, bei dem die Hauptstrahlen parallel zur optischen Achse verlaufen.

Auch bei der Beleuchtung gilt: Wenn kollimierte Strahlen parallel zur optischen Achse verlaufen, handelt es sich um eine telezentrische Beleuchtung. Telezentrische Beleuchtungen wie die TECHSPEC® telezentrische Hintergrundbeleuchtung verwenden Optiken, um Licht aus einer Faser oder LED auf ein Objekt zu lenken und so eine Silhouette mit hohem Kontrast zu erzeugen. Eine telezentrische Beleuchtung erhöht den Kantenkonstrast und die Messgenauigkeit, indem diffuse Reflexionen vom Objekt minimiert werden. Die Beleuchtung erzeugt kollimierte Lichtstrahlen und diese bleiben kollimiert bis sie auf die Objektoberfläche treffen (Abbildung 2). Lichtstrahlen von einer standardmäßigen Hintergrundbeleuchtung breiten sich dagegen aus und interferieren miteinander, sodass diffuse Reflexionen entstehen (Abbildung 2). Anschauliche Beispiele finden Sie in dem Video Imaging Lab Module 2.2: Telezentrie.

Collimated light ray from a telecentric illuminator
Diffuse reflections from a standard backlight
Abbildung 2: Das linke Bild zeigt kollimierte Lichtstrahlen von einer telezentrischen Beleuchtung. Das rechte Bild zeigt diffuse Reflexionen von einer Standardhintergrundbeleuchtung.

Wie erzeugt telezentrische Beleuchtung eine Silhouette mit hohem Kontrast?

Telezentrische Beleuchtung verwendet hochqualitative optische Glaslinsen, um Licht aus einer Faser oder LED zu kollimieren. Divergentes Licht von der Quelle fällt auf die Optiken und tritt parallel und hochkonzentriert wieder aus. Nahezu das gesamte Licht, das in die telezentrische Beleuchtung fällt (mit Ausnahme der Rückreflexionen und Absorptionen durch die optischen Linsen), trifft auch auf das inspizierte Objekt.

Was ist das Geheimnis der telezentrischen Beleuchtung?

In Kombination mit einem LED-Musterprojektor und einer Strichplatte kann ein standardmäßiges telezentrisches Objektiv als telezentrische Beleuchtung umfunktioniert werden. Wie bei einer typischen telezentrischen Beleuchtung wird das Licht im telezentrischen Objektiv kollimiert, sodass diffuse Reflexionen bei der Silhouettenbildung eliminiert werden. Anders als bei einer richtigen telezentrischen Beleuchtung können beim Einsatz eines telezentrischen Objektivs allerdings kleine Fehler beim LED-Musterprojektor ins Gewicht fallen.

Vor- und Nachteile der telezentrischen Beleuchtung

Telezentrische Beleuchtung ist ideal für präzise Messungen bei denen Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Durchsatz Schlüssel für den Erfolg der Anwendung sind. Diese 8 Vorteile der telezentrischen Beleuchtung sorgen für beste Ergebnisse:

  1. Sehr gute Detektion kleiner Defekte
  2. Erhöhte Messgenauigkeit und Wiederholbarkeit verglichen mit standardmäßiger Hintergrundbeleuchtung
  3. Keine verschwommenen Kanten wie bei diffusen Reflexionen
  4. Erhöhte Intensität durch kollimierte Lichtstrahlen
  5. Bilder mit hohem Kontrast durch scharfe Kanten und erhöhte Lichtintensität
  6. Reduzierte Belichtungszeit durch erhöhte Intensität
  7. Schnellere Systeme und höherer Durchsatz verglichen mit standardmäßiger Hintergrundbeleuchtung
  8. Höherer Abstand zwischen Objekt und Lichtquelle möglich

Gegenüber diesen Vorteilen gibt es bei der telezentrischen Beleuchtung auch ein paar Nachteile, wie z. B. den großen Platzbedarf und die höheren Kosten. Für große Objekte werden auch große telezentrische Beleuchtungen benötigt. Bei platz- oder kostenkritischen Anwendungen könnte eine kollimierte Hintergrundbeleuchtung die bessere Lösung sein. Bei kollimierter Hintergrundbeleuchtung handelt es sich um eine standardmäßige Hintergrundbeleuchtung mit einem integrierten Film zur Lichtkollimation. Auch wenn sie nicht so gute Ergebnisse erzielen wie die telezentrische Beleuchtung, sind kollimierte Hintergrundbeleuchtungen weniger diffus als standardmäßige Hintergrundbeleuchtungen und lassen somit Kanten weniger verschwommen erscheinen.

Anwendungsbeispiel

Das Verständnis der theoretischen Grundlagen bei der telezentrischen Beleuchtung ist ein wichtiger erster Schritt, die Betrachtung einer praktischen Anwendung mit dieser präzisen Beleuchtungsgeometrie zeigt aber noch deutlicher, warum sie in der Bildverarbeitung so wichtig ist.

Ein Beispiel ist die Vermessung und Inspektion von Gewindedurchmessern einer Edelstahlstange. Die geringe Größe der inspizierten Objekte (10 mm) und die Notwendigkeit der Messung der Gewindesteigung machen eine visuelle Bewertung unmöglich. Das ursprüngliche System, das für diese Anwendung eingesetzt wurde, bestand aus einer standardmäßigen LED-Hintergrundbeleuchtung vor einem 0,6X TECHSPEC® SilverTL Objektiv (#56-678) und einer CCD-Kamera mit 640 x 480 Pixeln. Ein Roboter bewegte die Teile für die Bildaufnahme vom Fertigungstisch zum Bildverarbeitungssystem. Ein zweiter Roboter nutzte dann die erhaltene Information, um die Teile in „bestanden“ und „durchgefallen“ zu sortieren.

Trotz sorgfältiger Entwicklung konnte das System mit der Standardhintergrundbeleuchtung keine Teile kleiner als 10 mm inspizieren und war auf 10 ppm begrenzt, obwohl für den neuen Produktionsdurchlauf 40 ppm benötigt wurden. Zusätzlich musste aufgrund der geringen Lichtintensität der diffusen LED-Hintergrundbeleuchtung eine Kamerabelichtungszeit von 2,5 ms gewählt werden, die Geschwindigkeit der neuen Produktionslinie erlaubte nur eine Zeit von 800 μsec für eine Bildaufnahme ohne Unschärfe. Eine einfache Änderung war die Veränderung der Kameraverstärkung, um die Belichtungszeit zu reduzieren. Dies führte allerdings zu einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis im System und ungenaueren Messungen.

Geschwindedurchmesser einer telezentrischen Beleuchtung
Standardmäßige Hintergrundbeleuchtung
Abbildung 3: Auf der linken Seite bildet ein System mit telezentrischer Beleuchtung die Gewindedurchmesser ab, auf der rechten Seite ein System mit standardmäßiger Hintergrundbeleuchtung.

Die Antwort des Problems war die telezentrische Beleuchtung. Durch den Austausch der diffusen LED-Hintergrundbeleuchtung mit einer TECHSPEC® telezentrischen Hintergrundbeleuchtung (#62-760) erhöhte sich die Intensität des Lichts, das auf die Gewinde trifft. Die Belichtungszeit der Kamera wurde reduziert und der gesamte Bildkontrast durch die Vermeidung der diffusen Reflexionen gesteigert.

Im Originalaufbau erzeugten die diffusen Reflexionen der Hintergrundbeleuchtung unscharfe Kanten. Durch den Einsatz der telezentrischen Beleuchtung wurden die Kanten klarer und die Einteilung in „bestanden“ und „durchgefallen“ einfacher (Abbildung 4). Außerdem war der Grat an der einen Gewindeseite mit der Standardbeleuchtung kaum, mit der telezentrischen Beleuchtung hingegeben sehr gut sichtbar und messbar. Die Graphen zeigen die Kontrastwerte der Systeme mit telezentrischer und standardmäßiger Beleuchtung. Die breiteren Täler bedeuten höheren Kontrast und verbesserte Messgenauigkeit.

klare Kantensilhouette durch das telezentrische System
unscharfe Kanten durch das Standardsystem
Clear edge silhouette from the telecentric illuminator system
Blurry edges from the standard backlight system.
Abbildung 4: Das linke Bild zeigt eine klare Kantensilhouette durch das telezentrische System. Das rechte Bild zeigt unscharfe Kanten durch das Standardsystem.

Die telezentrische Beleuchtung ist vorteilhaft für viele verschiedene Bildverarbeitungsanwendungen, wie z. B. Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, Fertigungsautomatisierung, Silhouettenbildung sowie Defekt- und Kantendetektion. Anders als bei Standardhintergrundbeleuchtungen erzeugt die telezentrische Hintergrundbeleuchtung klare Silhouetten, die sich ideal für die Detektion von Kanten und Defekten eignen. Die Vorteile der telezentrischen Beleuchtung sind entscheidend für Anwendungen, die Bilder mit hohem Kontrast und frei von verschwommenen Kanten benötigen, sowie Hochgeschwindigkeitsautomatisierung.

Verwendete Komponenten:


Referenzen

1. Butkus, Bruce. "Telecentric Illumination for Vision-System Backlighting." Machine Design. June 2, 2009. Accessed January 12, 2012. http://machinedesign.com/archive/telecentric-illumination-vision-system-backlighting.

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