08.04.2014
Von: Dr.-Ing. Claudia Brückner

Telezentrische Beleuchtung bringt jeden Kratzer an den Tag

In Kombination mit telezentrischen Beleuchtungen liefern telezentrische Objektive die genauesten Ergebnisse, wenn es um die Vermessung von Objektformen geht. Außerdem werden erst damit die Eigenschaften bestimmter Prüfobjekte wie Einschlüsse und Fehlstellen in Glas sichtbar.

Ausführungen telezentrischer Beleuchtungen (Quelle: Vision&Control GmbH)

Der erste Schritt bei der Planung einer Bildverarbeitungsanwendung ist die richtige Auswahl der Beleuchtung der Prüfobjekte. Denn was hier durch eine fehlerhafte Ausleuchtung an Informationen verloren geht, kann im folgenden Bildverarbeitungsprozess nicht wieder rekonstruiert werden. Die Wahl der Beleuchtung beeinflusst dabei sowohl die Messgenauigkeit als auch die Sichtbarkeit der relevanten Objektmerkmale.

Telezentrische Objektive an sich bieten schon viele Vorteile, die hochpräzises Messen bzw. die Sichtbarmachung von bestimmten Objekteigenschaften ermöglichen. Doch erst mit der richtigen Beleuchtung können diese Objektive ihr gesamtes Potential voll entfalten. Dabei können die Prüfobjekte prinzipiell mit allen in der Bildverarbeitung bekannten Beleuchtungsmethoden untersucht werden. Dies bedeutet, dass sie sowohl im Auflicht als auch im Durchlicht betrachtet werden können, jeweils mit der Möglichkeit das Hell- oder Dunkelfeld auszuwerten.

Die Wahl der Beleuchtung hängt davon ab, unter welchem Einfallswinkel die zu untersuchenden Objekteigenschaften besonders gut sichtbar werden und ob das Winkelspektrum eher breit oder sehr schmal sein soll.

Diffuse Beleuchtungen bieten ein großes Winkelspektrum. Sie werden beispielsweise eingesetzt, wenn kleinste Strukturdetails interessieren, wie Leiterbahnen oder Gerätekennzahlen auf Leiterplatten. Dann ist ein Bild mit einer guten Kontrastwiedergabe der informationstragenden Ortsfrequenzen erforderlich. Hierfür wird das Objekt durch eine klassische Abbildung mit dem telezentrischen Objektiv auf den Sensor abgebildet, wobei die Auflösung von der numerischen Apertur des Objektivs abhängt. Die wesentliche Kennkurve hierfür ist die Modulations-übertragungsfunktion (MTF), die angibt, mit welchem Kontrastverhältnis die einzelnen Ortsfrequenzen übertragen werden.

Sollen hingegen gezielt Kanten und Oberflächenstrukturen hervorgehoben werden, dann müssen gerichtete Beleuchtungen verwendet werden. Eine besonders gerichtete Form der Beleuchtung ist die telezentrische Beleuchtung. Idealerweise bietet sie nur paralleles Licht - also Licht mit einem Neigungswinkel von 0° gegen die optische Achse - an. Real liegt ein sehr kleines Winkelspektrum vor. Die relevanten Bildinformationen entstehen dann durch den Schattenwurf des Objekts bzw. von einzelnen Objektstrukturen, was es ermöglicht den Kantenort besonders kontrastreich und damit genau zu erkennen. Anwendung findet dies, wenn Konturen von Körpern abgebildet werden sollen, um beispielsweise die Maßhaltigkeit von Teilen zu prüfen.

Bevor auf die einzelnen Anwendungen genauer eingegangen wird, zeigt der folgende Abschnitt wie diese gerichteten Strahlen erzeugt werden können und wie diese Form der Beleuchtung optimal mit dem Objektiv zusammenspielt.

Funktionsprinzip

Der prinzipielle Aufbau einer telezentrischen Beleuchtung ist im linken Teil des optischen Gesamtsystems in Bild 1 zu sehen. Die Lichtquelle befindet sich im Brennpunkt F eines optischen Systems, wodurch deren Strahlen nach Unendlich abgebildet werden und ein paralleler Strahlengang entsteht. Ideal paralleles Licht kann jedoch nur mit einer Punktlichtquelle erzeugt werden. In der Realität besitzen die Lichtquellen immer eine gewisse räumliche Ausdehnung.

 

Bild 1: Prinzipielles Zusammenwirken von telezentrischer Beleuchtung und telezentrischem Objektiv

Typischerweise werden hierfür LEDs mit einer Größe im Bereich von Zehntel Millimetern verwendet. Sowohl die Abmessungen der Lichtquelle als auch die Brennweite der Optik beeinflussen dabei die Parallelität der entstehenden Strahlen: Je größer die Brennweite, desto kleiner ist die Abweichung von der Parallelität, aber umso größer ist die Baulänge der telezentrischen Beleuchtung. Dies bedeutet, dass im Gegensatz zu einer diffusen Lichtquelle die telezentrische Beleuchtung eine gewisse Baulänge im Bereich von 100 bis 200 mm hat (siehe Bild 2). Typische Divergenzwinkel (φBeleuchtung in Bild 1) liegen dabei im Bereich von 0,5° bis 1°. Der Durchmesser der Beleuchtungsoptik muss aufgrund der Parallelität des Strahlengangs mindestens so groß wie das Prüfobjekt sein.

Bild 2: Ausführungen telezentrischer Beleuchtungen

Das Prinzip der telezentrischen Beleuchtung zeigt:

Telezentrische Beleuchtungen können nur zusammen mit telezentrischen Objektiven verwendet werden. Denn nur dadurch können die Strahlenbündel für die äußeren Feldpunkte auch durch das Objektiv abgebildet werden. Ist der Öffnungswinkel des telezentrischen Objektivs auf die Beleuchtungsapertur der Lichtquelle abgestimmt, ist er also nicht größer, gelangt nur Licht des Prüfobjekts zur Abbildung und damit zur messtechnischen Auswertung. Falschlicht kann dadurch vermieden werden. Lichtquelle und Objektiv müssen dabei gut aufeinander ausgerichtet sein. Hierfür gibt es entsprechende Objektivhalter.

Telezentrische Beleuchtungen bieten ein homogenes Leuchtfeld. Im Brennpunkt der Beleuchtungsoptik entsteht eine Kaustik also eine Stelle mit minimalem Lichtdurchmesser. Idealerweise sollte das Prüfobjekt hier positioniert werden. In der Realität kann aber aufgrund der extrem geringen Divergenz der Strahlen das Objekt in freiem Abstand vor der Lichtquelle positioniert werden. Erfahrungsgemäß wirkt sich dies nicht negativ auf das Mess- oder Prüfergebnis aus.

Im Gegensatz zum Auge sieht die Kamera die Lichtquelle nicht. Dies resultiert aus der telezentrischen Perspektive mit der das Objekt aufgenommen wird: Bild 1 zeigt: die Lichtquelle wird in die Brennebene des TZOs abgebildet. Das Bild des Untersuchungsobjekts entsteht aber in einer anderen, vom Objektiv weiter entfernteren Ebene. Das Auge hingegen sieht Objekte mit der entozentrischen Perspektive. Hier liegt die Eintrittspupille in der Nähe der abbildenden Linse. Fokussiert das Auge auf Unendlich, so erscheint auf der Netzhaut das Bild der Lichtquelle der telezentrischen Beleuchtung.

Durch die geringe Beleuchtungsapertur die vom Objektiv aufgenommen wird, besitzt die Abbildung eine extrem hohe Schärfentiefe. Die Objekte können daher auch in einem sehr weiten Bereich entlang der optischen Achse um den Arbeitsabstand herum platziert werden.

Dadurch, dass das Licht bereits in der relevanten Richtung angeboten wird, können die Belichtungszeiten mit dieser Beleuchtung relativ gering gewählt werden. Im Vergleich zur Abbildung mit diffusem Licht sind diese bei telezentrischer Beleuchtung teilweise um den Faktor 10 bis 20 geringer.

Besonders große Unterschiede in der erforderlichen Belichtungszeit telezentrischer und diffuser Beleuchtung entstehen bei tiefenausgedehnten Objekten. Für die benötigte hohe Schärfentiefe muss hier die Apertur des Objektivs reduziert werden. Bei diffusem Licht bedeutet dies aber, dass viele der angebotenen Lichtrichtungen ausgeblendet und für die Bilderzeugung nicht genutzt werden. Kompensiert würde dies dann mit einer höheren Belichtungszeit.

Im Gegensatz zum Laser, der ebenfalls eine besondere Richtcharakteristik aufweist, zeigen sich bei dieser Beleuchtung keine störenden Speckles.

Anwendungen

Die telezentrische Beleuchtung wird typischerweise zur Maßbestimmung bei glänzenden oder transparenten Objekten wie Drähten, Metallbolzen, Glasampullen, Fäden und auch Flüssigkeitsstrahlen eingesetzt. Weiterhin können damit Einschlüsse und Fehlstellen in Glas bzw. transparenten Materialien sichtbar gemacht. Angewendet werden diese Beleuchtungen auch in der Deflektometrie, bei der die Abweichungen von der idealen Form spiegelnder Oberflächen gemessen werden sollen. Bei der Fehlstellenerkennung wird hierbei ausgenutzt, dass immer dann, wenn Licht aus dem idealen Strahlenverlauf abgelenkt wird, dieses bei der Auswertung fehlt und die entsprechende Fehlstelle dunkel erscheint. Auch im Auflicht können so Stege und Gräben auf reflektierenden Oberflächen sowie Lackdicken bestimmt werden. Breite Anwendung findet dies bereits in der Halbleiterfertigung.

Die folgenden Beispiele zeigen die Anwendung bei der Vermessung glänzender Metallteile.

Bild 3: Metallbolzen diffus beleuchtet (links) und telezentrisch (rechts). Nur mit der telezentrischen Beleuchtung sind die Kanten kontrastreich abgebildet und ermöglichen somit eine exakte Bestimmung des Durchmessers.

Hier besteht generell das Problem der richtigen Konturbestimmung, da bei diffusem Licht unerwünschte Reflexe mit zur Abbildung gelangen, die den Kontrast der Kante extrem schwächen können. Eine genaue Festlegung des Kantenortes wie beispielsweise anhand eines mittleren Grauwert-Levels ist dann schwierig bzw. nicht möglich. Bild 3 zeigt die Aufnahmen eines Bolzens mit diffuser (links) und telezentrischer Beleuchtung (rechts). Durch den schwachen Kontrast an der Kante bei diffuser Beleuchtung ist die richtige Lokalisierung des Kantenortes für die Durchmesserbestimmung nicht möglich. Erst die scharfe Abbildung der Kante mit der telezentrischen Beleuchtung ermöglicht die Vermessung des Objekts. Ähnliche Effekte zeigen sich auch bei den folgenden Aufnahmen einer Schraube (Bild 4) und einer Feder (Bild 5). Durch die Reflexe an den Flanken der Schraube lässt sich der Kantenort mit diffusem Licht nicht sauber bestimmen. Nur mit telezentrischer Beleuchtung können die Schraubenkonturen sicher erkannt und die entsprechenden Parameter wie Gewindesteigung abgeleitet werden.

 

Bild 4: Schraube, diffus beleuchtet (links) und telezentrisch (rechts).

Bild 5: Feder, diffus beleuchtet(links) und telezentrisch (rechts).

Die Anwendung bei der Vermessung und Inspektion transparenter Materialien zeigen die folgenden Bilder. In Bild 6 wurde im linken Bild ein Glasstab diffus beleuchtet und im rechten telezentrisch. Während der Kantenort bei diffusem Licht aufgrund des undefinierten Kantenverlaufs nicht genau ausgemacht werden kann, zeigen sich bei telezentrischer Beleuchtung klare Objektkonturen, wodurch das Objekt vermessen werden kann.

Bild 6: Glasstab, diffus beleuchtet(links) und telezentrisch (rechts).

Durch die Parallelität der Strahlen bei telezentrischer Beleuchtung werden nur die senkrecht auf die Oberfläche treffenden Lichtstrahlen, die den mittleren hellen Streifen bilden, und das Randlicht außerhalb der Objektkonturen abgebildet. Der gleiche Effekt zeigt sich bei dem in Bild 7 dargestellten Glasfläschchen. Der leuchtende Streifen in der Mitte ist hier aufgrund der Lichtausbreitung in der Flasche etwas breiter als beim massiven Glasstab. Bild 8 zeigt eine Glasplatte, die links im diffusen Durchlicht und rechts im telezentrischen aufgenommen wurde. Links ist nur ein Kratzer zu erkennen, wohingegen sich rechts deutlich Kratzer, Schmutz, Ausplatzer und Schlieren zeigen.

Bild 7: Glasfläschchen, diffus beleuchtet(links) und telezentrisch (rechts).

Bild 8: Glasplatte, diffus beleuchtet(links) und telezentrisch (rechts).

Zusammenfassend kommen telezentrische Beleuchtungen zur Formvermessung glänzender und transparenter Teile und auch von Flüssigkeitsströmen zum Einsatz. Dabei entstehen im Bild kontrastreiche Kanten nach dem Schattenwurfprinzip, die dann besonders gut detektiert und somit genau vermessen werden können. Weiterhin können damit Oberflächenstrukturen in transparenten Objekten im Durchlicht sowie Formabweichungen und Schichtdickendifferenzen an reflektierenden Objekten im Auflicht sichtbar gemacht werden.

erschienen in MaschinenMarkt 13/2014