BELEUCHTUNGEN

Grundlagen

Allgemeines

Nicht nur bei Fachleuten hat sich die Einsicht durchgesetzt: Mehr als 2/3 des Erfolgs einer Bildverarbeitungslösung sind in der Verwendung einer geeigneten Beleuchtung begründet. Dabei ist das Ziel ganz einfach: Kontrast schaffen. Er ist die Voraussetzung für einfache, schnelle und robuste Prüfprogramme. Ohne ihn arbeitet die leistungsfähigste Verarbeitungssoftware nicht zuverlässig.
Die direkten und mittelbaren Wechselwirkungen der Beleuchtungen mit der Umgebung sind zahlreich: Prüfobjekt, Umgebungslicht, Optik, Kamera, BV-Hardware, BV-Software und Maschinenumgebung tragen alle zum Erfolg oder Misserfolg der Beleuchtung bei.

Doch Vorsicht. Die fast schon sprichwörtliche Redewendung „Das sehe ich doch!“ hilft häufig nicht weiter. Zu unterschiedlich sind menschliche und maschinelle Lichtwahrnehmung. Einerseits kann man bei der Beleuchtungsauswahl in etlichen Punkten seinem Sehsinn folgen, in zahlreichen Punkten führt er aber auf eine falsche Spur.

Licht und Kameraempfindlichkeit

Grundsätzlich sollte das Licht von seiner Zusammensetzung zur Empfindlichkeit der Bildaufnehmer passen, wodurch sich der breite Spektralbereich des Lichtes typischerweise auf Wellenlängen zwischen 300 nm im UV- und 1.400 nm im NIR-Bereich beschränkt. In diesem Bereich müssen Prüfobjekt, Optik und Bildaufnehmer aufeinander abgestimmt sein.

Bildaufnehmer, das menschliche Auge eingeschlossen, besitzen je nach Technologie und Aufbau verschiedene Empfindlichkeiten für verschiedenfarbiges Licht. Es kann also nicht auf einfach vergleichende Weise Rückschluss gezogen werden, was für den einen Bildaufnehmer eine geeignete Beleuchtungswellenlänge ist, muss es für einen anderen Bildaufnehmer auch sein. Besonders im Bereich des nicht sichtbaren Lichtes (UV, IR) gelten umrechenbare, aber nicht direkt vergleichbare Zusammenhänge für die Lichtwahrnehmung.

Kontrast

Schon bei der Formulierung des Zieles - kontrastreiche Beleuchtung - unterscheiden sich menschliche und maschinelle Wahrnehmung. Der vom Menschen als Kontrast bezeichnete Helligkeitsunterschied bezieht ohne unser bewusstes Zutun maximale und minimale im gesamten Gesichtfeld vorkommende Helligkeiten in die Kontrastbildung mit ein.

Es werden global relative Werte gebildet. Bei der maschinellen Bildverarbeitung werden nur lokale absolute Helligkeitsdifferenzen herangezogen und ausgewertet. Die Ergebnisse für Mensch und Maschine gehen weit auseinander und sollten daher immer objektiv durch die Nutzung von bildverarbeitungstechnischen Hilfsmitteln ermittelt werden.

Bild: Beim Simultankontrast zeigt sich die Fehlbarkeit und Umgebungsabhängigkeit des menschlichen Sehens bezüglich des Kontrastes: Alle jeweils in der Mitte befindlichen mittelgrauen Quadrate habe einen identischen Grauton, erscheinen aber je nach Helligkeit der Umgebung verschieden hell.

Auswirkung der Entfernung auf die wahrgenommene Helligkeit der Beleuchtung

Abstände sind für Beleuchtungen ein wesentlicher Erfolgsfaktor. Das fotometrische Entfernungsgesetz gibt für einfallendes Licht (Auflicht) die Zusammenhänge vor:

Wird der Abstand der Beleuchtungskomponenten zum Prüfobjekt verdoppelt bleibt nur ein Viertel der ursprünglichen Beleuchtungs- bzw. Bestrahlungsstärke (Angabe in Lux bzw. in W /m²) erhalten, bei Verdreifachung des Abstandes nur 1/9. Leider ist für den Verlust an Helligkeit auch hier das menschliche Auge mit seiner logarithmischen Helligkeitswahrnehmung kein guter Ratgeber und führt in die Irre.
Für den objektiven Nachweis des Helligkeitsabfalls sollten daher die Helligkeitswerte (Grauwerte) des Bildverarbeitungssystems herangezogen werden.

Wichtige Aussage für Auflichtbeleuchtungen ist somit: Die Beleuchtungskomponenten so dicht wie möglich am Prüfobjekt platzieren.
Im Durchlicht liegen die Verhältnisse anders. Die die Helligkeit kennzeichnende Größe von Beleuchtungskomponenten ist dabei die Leucht- bzw. Strahldichte (Angabe in Candela / m² bzw. in W / sr). Sie ist unabhängig vom Abstand des Betrachters / Kamera konstant. Abstandsänderungen haben damit keinen Einfluss auf die Helligkeit der Beleuchtung. Daher können Beleuchtungen im Durchlicht auch ohne Einbuße an Helligkeit in größerem Abstand zum Prüfobjekt platziert werden.

Bild: Das fotometrische Entfernungsgesetz beschreibt den quadratischen Abfall der Beleuchtungsstärke und damit der Bildhelligkeit von Beleuchtungen im Auflicht.

Homogenität / Beleuchtungsprofil

Verschiedene Einsatzszenarien verlangen nach verschiedenen Komponenten. So werden zum einen Beleuchtungen benötigt, die eine möglichst homogene Ausleuchtung ermöglichen (z.B. für Durchlichtbeleuchtung) . Andere Beleuchtungen sind hingegen konstruktiv so gestaltet, dass sie ein gezieltes und individuell durch ihre Form hervorgerufenes Beleuchtungsprofil erzeugen (z.B. für Dunkelfeldbeleuchtung).

Auskunft über die erreichte absolute Helligkeit, Homogenität oder über das Beleuchtungsprofil geben für Auflicht Beleuchtungsstärkeindikatrizen und für Durchlicht Leuchtdichteindikatrizen.

Bild: Beispiel einer Beleuchtungsstärkeindikatrix für ein Ringlicht (radialsymmetrisches Beleuchtungsprofil im Schnitt). In der Bildmitte herrsch die größte Helligkeit, weiter nach außen fällt die Helligkeit ab.

Lichtfarbe

Wesentliches und gleich nach außen vom Menschen erkennbares Merkmal einer Beleuchtung ist die Lichtfarbe, die durch die schwerpunktmäßig abgestrahlten Wellenlängen hervorgerufen wird. Diese Lichtfarbe ruft am Prüfobjekt eine Licht-Reaktion (Absorption, Reflexion, Transmission) hervor. Licht, das mit der Farbe des Prüfobjektes bei Weißlichtbeleuchtung übereinstimmt, wird besonders gut reflektiert und ist damit besonders wirkungsvoll. Die Komplementärfarbe hingegen wird besonders gut ausgelöscht und erscheint damit besonders dunkel.
Die gezielte Ausnutzung von Farbe und Komplementärfarbe bildet eine der Grundlagen für die Auswahl der Beleuchtungswellenlänge.

Bei weißer Beleuchtung unbunt erscheinende Gegenstände (z. B. Metalloberflächen) weisen darauf hin, dass sie alle Wellenlängen (des sichtbaren Lichtes) gleichmäßig mehr oder weniger gut reflektieren können. Bei diesen Objekten spielt die Wahl der Beleuchtungsfarbe eine untergeordnete Rolle.
Dennoch ist weißes Licht ist nicht gleich weißes Licht. Damit am Prüfobjekt ein gleicher Helligkeitseindruck entsteht, muss die Zusammensetzung des am weißen Licht beteiligten Spektrums bekannt sein. Das ist besonders wichtig für die Farbbildverarbeitung, bei der zum Ausgleich mittels des Weißabgleichs Unterschiede in der Lichtzusammensetzung korrigiert werden können.
Für die außerhalb der sichtbar liegenden Wellenlängenbereiche des UV- und des IR-Lichtes greift die menschliche Beschreibung mit Begriffen der Farbe nicht. Hierfür können für die Wechselwirkungen zwischen Licht“farbe“ und Prüfobjekt keine Vorhersagen getroffen werden. Sie müssen durch Versuche ermittelt werden.

Bild 1: Farbe und Komplementärfarbe stehen sich im Farbkreis gegenüber.
Bild 2: Grauer Klemmblock mit orange Kontaktklemmen (jeweils links im Bild). Links orange beleuchtet, rechts mit Komplementärfarbe blau.

Störlicht / Fremdlicht

Leider überwiegt bei der Beleuchtung des Prüfobjektes nicht immer die gezielte Beleuchtung durch die eingesetzten Beleuchtungskomponenten. Änderungen in der Position der Bildverarbeitungs-Prüfeinrichtung (Umsetzen der Maschine) oder eine über den Tagesablauf variable Einstrahlung von Tageslicht können dazu führen, dass die eingesetzte Beleuchtung nicht konstante Kontrastverhältnisse liefern kann und damit die Stabilität und Zuverlässigkeit der Bildverarbeitung in Gefahr ist.

Als Gegenmaßnahmen gegen Stör- und Fremdlicht können u.a. genutzt werden:

  • Verwendung einer wesentlich leistungsfähigeren Beleuchtung, so dass die gezielte Beleuchtung stärker ist als die Störung
  • Kurzzeitbelichtung in Kombination mit Blitzbeleuchtung
  • Nutzung von Lichtfiltern in Kombination mit geeigneter Lichtfarbe
  • Lichtdichtes Schutzgehäuse um die Bildverarbeitungsanlage

Können unter den konkreten Gegebenheiten an der Maschine nicht alle Gegenmaßnahmen durchgeführt werden (Platz- und Lichtmangel, Beleuchtungsfarbe zur Filterung nicht geeignet, eingeschränkte Handhabung), bleibt das Problem des Stör- und Fremdlichtes ein wesentlicher Unsicherheitsfaktor für die Bildverarbeitung.

Schutzmaßnahmen

Auf Grund der zu groß abgestrahlten Lichtenergiemengen müssen sowohl beim Einsatz von Lasern als auch LEDs als Lichtquelle Vorsichtsmaßnahmen eingehalten werden. Hinzu kommt das ein Teil des verwendeten Lichtes im nicht sichtbaren Bereich des UV und IR abgestrahlt wird, was besonders gefährlich ist, da die Gefahr vom Menschen nicht direkt wahrgenommen werden kann.
Die Gefährdung betrifft sowohl die Augen als auch die Haut (besonders bei UV). Einige einfache Betriebs- bzw. Verhaltensweisen entschärfen jedoch die Gefahr, die von diesen Lichtquellen ausgehen:

  • nicht direkt in die Beleuchtung schauen
  • Beleuchtung nur einschalten, wenn sie für die Bilderzeugung benötigt wird (Pulsen oder Blitzen - kein Dauerbetrieb)

Beleuchtungskomponenten für die Bildverarbeitung

Allgemeines

Die Zeiten, als man unter Beleuchtungen in der Bildverarbeitung „Lampen, zum Erhellen des Bildes“ verstand, sind längst vorbei. Moderne Beleuchtungskomponenten haben sich zu High-Tech-Produkten entwickelt, in denen sich die Kenntnisse nach dem Stand der Technik aus Lichttechnik, Elektronik, Thermodynamik, Werkstoff- und Fertigungstechnik vereinen.

Lichtquellen

Die Vielfalt der in der Bildverarbeitung genutzten Lichtquellen reduziert sich in letzter Zeit sehr stark zugunsten der LEDs. Dennoch stehen immer noch zahlreiche andere Lichtquellen im Dienste der Bildverarbeitung:

Halogenglühlampen:

hell, mit gleichmäßigem Spektrum, nur für Dauerbetrieb, stark alternd, kurzlebig, schaltträge, erschütterungsempfindlich, geringer Wirkungsgrad, meist in Kaltlichtquellen eingebaut

Metalldampflampen:

sehr hell, nur für Dauerbetrieb, nicht durchgängiges Spektrum, teuer

Xenon-Lampen:

gut blitzbar, auch in kurzer Folge, sehr hell, Betrieb mit Hochspannung, problematisch hinsichtlich EMV, aufwändige Ansteuerung

Leuchtstofflampen:

preisgünstig, auch bei der Beleuchtung großer Flächen, Betrieb nur mit HF-Vorschaltgeräten, unflexible Form, starke Temperaturabhängigkeit

Laser:

vielseitige Gestaltungsmöglichkeiten für strukturierte Beleuchtungen, monochromatisches Licht, Intensitätsunterschiede (Speckles) erschweren die Auswertung, Schutzmaßnahmen erforderlich!

LEDs
:
entwickeln sich zur Standardbeleuchtung der Bildverarbeitung, da:
besonders industrietauglich, schnell und gezielt vielfältig elektrisch anzusteuern, langlebig, nahezu beliebige Bauformen möglich, immer leistungsfähiger, immer mehr Wellenlängen / Lichtfarben / Farbmischungen, keine Wartung und Instandhaltung

Richtung der Lichtausstrahlung

Die Lichtsausstrahlung der in Beleuchtungskomponenten verwendeten Lichtquellen ist auf Grund deren innerer Struktur festgelegt. Für die verschiedenen Anwendungen in der Bildverarbeitung muss die Richtung der Lichtausstrahlung gezielt durch optische Bauelemente innerhalb der Beleuchtungskomponente manipuliert werden, um den gewünschten Beleuchtungseffekt zu erreichen. Je nach Einsatz wird das Licht geformt als:

  • diffuse Beleuchtungen mit möglichst gleichmäßiger Lichtabstrahlung in verschiedene Richtungen
  • gerichtete Beleuchtungen, die eine ausgeprägte Vorzugsrichtung der Lichtausstrahlung besitzen
  • telezentrische Beleuchtungen, die besonders stark gerichtet sind und bei der parallele Hauptstrahlen einen Großteil des Lichtes ausmachen
  • strukturierte Beleuchtungen, die als zusätzliche Beleuchtungseigenschaft eine örtliche Struktur der Beleuchtungsverteilung besitzen.

Beleuchtungsansteuerung

Wesentlicher Bestandteil von Beleuchtungskomponenten an der Schnittstelle zur Steuerung oder zum Bildverarbeitungssystem ist die Beleuchtungsansteuerung. Die Zeit zusammengelöteter LED-Felder, die ohne weitere Maßnahmen an die SPS-Versorgungsspannung angeschlossen wurden, ist vorbei. Effektive, leistungsfähige und zuverlässige Bildverarbeitung lässt sich nur durch definierte Beleuchtungsszenarien erreichen, wie sie durch speziell auf die Lichtquellen angepasste Ansteuerschaltungen erreicht werden.

Einige Lichtquellen wie Halogenglühlampen, Metalldampflampen oder Leuchtstofflampen lassen auf Grund ihrer Betriebsbedingungen nur das Ein- und Ausschalten zu. Wechselstrombetriebene Beleuchtungen, bei denen sich die 50 Hz –Netzfrequenz auf die zeitliche Helligkeitsverteilung auswirkt, sind wegen der entstehenden Schwebungserscheinungen bei Bildaufnahme (verschieden helle Bilder) nicht verwendbar, ggf. können HF-Vorschaltgeräte genutzt werden.
Wird ein zeit-, helligkeits- oder ortsdefiniertes Beleuchtungsszenario benötigt, sind komplexere Schaltungen in Form eines Beleuchtungscontrollers notwendig, denn leistungsfähige Lichtquellen wie LEDs benötigen definierte Betriebsbedingungen hinsichtlich Spannungen, Strom und Temperatur.
Für die Möglichkeit des Anschlusses an ungeregelte Versorgungsnetze (SPS-Spannungsversorgung) ist ein Weitbereichsspannungseingang (typisch 10 bis 30 VDC) eine wesentliche Qualitätseigenschaft.
Desweiteren sollte eine geregelte Konstantstromquelle integriert sein, die sowohl auf die Dauer Alterungserscheinungen der LEDs entgegenwirkt, als auch bei kurzzeitigen Schaltvorgängen zum Pulsen der Beleuchtung gleiche Helligkeitswerte liefern kann.

LEDs bleiben nur auf die Dauer leistungsfähige Lichtquellen, wenn sie gezielt so betrieben werden, dass es thermisch zu keinen bleibenden Änderungen im LED-Chip kommt. Schon eine kurzzeitige Überhitzung des Chips lässt die LED extrem und unumkehrbar altern. Dabei können binnen weniger Stunden Helligkeitsverluste (> 50%) und erhöhte Ausfallraten entstehen, wie sie bei gekühltem Betrieb erst nach Jahren eintreten. Für LED-Beleuchtungen von immer höherer Leistung ist daher das Temperaturmanagement ein grundlegendes Muss. Eine gezielte und konstruktiv bedingte Abführung der Wärme gewährleistet auch bei hohen Umgebungstemperaturen den sicheren Betrieb der Beleuchtung ohne Überhitzungserscheinungen. Low-cost-Beleuchtungen in Form von in Kunststoff eingegossenen oder thermisch isoliert in Luft befindlichen LED-Feldern können diese Bedingungen in keiner Weise erfüllen und eignen sich bestenfalls in gepulster Betriebsart.
Neben dem zeitlich stabilen Betrieb der Beleuchtung ist die Fähigkeit zur Steuerung der Helligkeit der Beleuchtung ein wichtiges Merkmal. Sie kann auf unterschiedliche Weise erreicht werden:

  • manuell über ein Potentiometer
  • per analoger Steuerspannung (typisch 0 bis 10 VDC)
  • per digitaler Schnittstelle über einen Controller

Adaptive Beleuchtungen ermöglichen per Ethernet die zeitliche und örtliche Helligkeitseinstellung ganzer LED-Felder, abgestimmt auf die Geometrie des Prüfobjektes und der Umgebung in Echtzeit.

In der Dimensionierung der Beleuchtungsansteuerung sind darüber hinaus die schaltungstechnischen Grundlagen für die verschiedenen Betriebsarten gelegt, mit denen die LED-Beleuchtungen betrieben werden können:

Betriebsarten

Einfachste Betriebsart ist die Dauerbeleuchtung. Einmal eingeschaltet leuchtet die Beleuchtung über einen langen Zeitraum. Wichtig dabei ist beim Einschalten die Zeitdauer, die verstreicht, bis die endgültige (im Datenblatt verzeichnete Helligkeit) erreicht wird. Für LED-Beleuchtungen beläuft sie sich je nach integrierter Stabilisierungsschaltung auf Zeiten bis zu etlichen Millisekunden. Das Schalten dieser Beleuchtungen per Betriebsspannung ist daher ungeeignet.

Beleuchtungen, die nicht dauerhaft leuchten, werden als Pulsbeleuchtung betrieben. Sie besitzen einen schnellen Schalteingang, über den mit SPS-Pegel mit < 1 µs Verzögerungszeit die Beleuchtung ein- oder ausgeschaltet werden kann. Diese schnelle Schaltmöglichkeit wird immer dann benutzt, wenn komplexe Beleuchtungsszenarien danach verlangen, dass mehrere aufeinanderfolgende Bildaufnahmen der Kameras unter verschiedenen Beleuchtungsverhältnissen gemacht werden.

Beleuchtungen, die nur für Dauerbeleuchtung vorgesehen sind, eignen sich nicht für den Pulsbetrieb. Durch die umfangreiche kapazitive Beschaltung der Stabilisierungsschaltung kommt es bei ihnen zu langen Ein- und Ausschaltverzögerungen, die die notwendige schnelle Reaktion beim Ein- und Ausschalten verhindern.

Immer schneller laufende Prozesse und Produktionsmaschinen benötigen die Betriebsart Blitzbeleuchtung, damit entweder Bewegungsunschärfen vermieden („Einfrieren“ der Bewegung) oder Fremd- und Störlicht unterdrückt werden kann. Voraussetzung dafür ist, dass vom Bildverarbeitungssystem in Hardware per digitalem Ein- und Ausgang schnell auf ein Triggersignal reagiert bzw. schnell die Blitzbeleuchtung ausgelöst werden kann. Ebenso muss die Bildverarbeitungssoftware in der Lage sein, synchronisiert den Start des Blitzes, die Bildaufnahme sowie die Steuerung der Verschlusszeit (Shutter) der Kamera auszuführen.

Typische Pegel zum Auslösen der Blitzkomponenten sind TTL- oder SPS-Pegel. Damit besteht die Möglichkeit, den Blitz sowohl vom Bildverarbeitungssystem oder auch von der Maschinensteuerung (SPS) auslösen zu lassen.

Nach Anliegen des Triggersignals vergeht eine Verzögerungszeit bis zum Auslösen des Blitzes (und damit verbunden der Bildaufnahme). Die Verzögerungszeit muss sehr kurz sein, damit sich das Prüfobjekt während dieser Zeit nicht unzulässig aus dem Gesichtsfeld der Kamera bewegt. Typische Verzögerungszeiten liegen im Bereich von 500 ns.

Die maximale Blitzfrequenz kennzeichnet die größte Anzahl von Blitzen, die eine Blitzkomponente bei konstanter Lichtenergie (ohne Abnahme der Helligkeit) ausführen kann. Sie hängt sehr stark von der Güte der Ansteuerschaltung der Blitzbeleuchtung ab.

Die Blitzzeit beschreibt die Zeit, in der die Blitzbeleuchtung eine zeitlich gleiche Helligkeit liefern kann. Typischerweise liegen Blitzzeiten zwischen 1 und 100 µs. Blitzzeit und Helligkeit des Blitzes müssen unabhängig voneinander einzustellen sein.
Welche Blitzzeit in der konkreten Anwendung eingestellt werden muss, hängt von einer Reihe von Faktoren ab:

  • Bewegungsgeschwindigkeit des Prüfobjektes
  • Größe des Gesichtsfeldes
  • maximal zulässige Bewegungsunschärfe im Bild
  • Synchronisation
  • Leitungsstärke der Blitzbeleuchtung u.a.


Bild: Die Synchronisation der verschiedenen Vorgänge bei Blitzbeleuchtung muss von Hard- und Software realisiert werden können.

Bild: Die Synchronisation der verschiedenen Vorgänge bei Blitzbeleuchtung muss von Hard- und Software realisiert werden können.

Mechanische Stabilität und Befestigung

Die lichttechnisch besten Beleuchtungen sind wertlos, wenn sie nicht definiert und dauerhaft stabil befestigt und verbunden werden können.
Genormte Lochraster zur Befestigung und standardisierte Anschlusspegel sind Voraussetzung für die Serientauglichkeit von Beleuchtungen im Maschinenbau. Anschlussleitungen mit ungeschützter Niedervoltlitze können nicht verwendet werden, da die Anschlusskabel der Beleuchtungen bei Bewegung an Maschinen und Robotern gebogen (Biegewechselfestigkeit) und auch verdreht werden (Torsionsfestigkeit). Nicht selten wirken auf Anschlussleitungen von außen aggressive Medien, so dass häufig zusätzlich eine Ölresistenz gefordert wird.
So wie alle Bildverarbeitungskomponenten unterliegen auch Beleuchtungen Schwingungen und Vibrationen. LEDs als Lichtquellen sind zwar für sich extrem schockresistent, jedoch ist häufig die Schnittstelle zur Platine oder LED-Halterung nicht fähig die auftretenden Kräfte aufzunehmen. Das führt dann bei höheren Beschleunigungen, wie sie auch Komponenten unterliegen, die an Roboterarmen mitbewegt werden, zu Ausfällen durch Abbrechen von Bauelementen und Anschlussdrähten. Konstruktiv müssen zur Vermeidung Vorkehrungen getroffen worden sein, die durch Konformität zu diesbezüglichen Normen nachgewiesen werden.

Beleuchtungsanordnung und Beleuchtungsauswahl

Allgemeines

Grundsätzlich lässt sich die Beleuchtungsauswahl und -anordnung nicht auf die eine passende Art und Weise reduzieren - es gibt immer viele Möglichkeiten, die jede für sich Vor- und Nachteile besitzt. Diese herauszufinden und ggf. zu quantifizieren ist ein oft nicht einfacher Prozess.

Das liegt daran, dass geometrische Eigenschaften (Kantenformen, Bearbeitungsspuren), optische Eigenschaften (Farbe, Reflexion, Glanzgrad, Streuung) oder gar chemische Eigenschaften (Anlaufen, Oxidation, Öl, Kühlmittel) des Prüfobjektes nicht bekannt, nicht toleriert oder stark schwankend sein können. Alle diese Eigenschaften haben wesentlichen Einfluss auf die Möglichkeiten zur Beleuchtungsanordnung und –auswahl.

Mit den Richtungseigenschaften des aus der Beleuchtung austretenden Lichtes kann gezielt auf die Helligkeit der hervorzuhebenden Eigenschaft Einfluss genommen werden:

  • Diffuse Beleuchtungen eignen sich für Beleuchtungen in Auflicht und Durchlicht, bei denen kleinere Störungen in der Struktur des Prüfobjektes ausgeglichen werden sollen
  • Gerichtete Beleuchtungen können dank ihrer starken Richtwirkung dafür sorgen, dass ausgeprägte Richtungsmerkmale am Prüfobjekt besonders gut hervorgehoben werden. Gerichtete Beleuchtungen werden meist im Auflicht verwendet.
  • Telezentrische Beleuchtungen finden ihren wesentlichen Einsatz in Kombination mit → telezentrischen Objektiven zur kontrastreichen Abbildung von Prüfobjekten im → Durchlicht.
  • Strukturierte Beleuchtungen werden wegen der verwendeten Lichtstrukturen z.B. für Bildverarbeitungsaufgaben in 3D im Auflicht angewendet.

Ganz allgemein muss bei Beleuchtungsauswahl und -anordnung die Abstimmung der Beleuchtung auf die geometrisch-optischen Eigenschaften der Prüfobjekte durchgeführt werden. Oberste Priorität hat das Wissen darum, was und wie genau beleuchtungstechnisch hervorgehoben werden soll. Sind mehrere Merkmale zu prüfen, kann das bei ein und demselben Prüfobjekt zu mehreren völlig unterschiedlichen Beleuchtungsszenarien / -komponenten führen.

Position der Beleuchtung




Position der Beleuchtung

Auflichtbeleuchtung

Beleuchtungen im Auflicht eignen sich für Aufgaben, bei denen die zu untersuchenden Eigenschaften auf der Oberfläche des Prüfobjektes anzutreffen sind.

Lichtundurchlässige Materialien lassen sich besonders gut prüfen. Sind die Prüfobjekte teiltransparent oder transparent, können Ober- und Unterseite nicht voneinander getrennt werden, weil die Auflichtbeleuchtung die Teile dann von innen her aufhellt.

Schwierigkeiten treten im Auflicht im Allgemeinen an den Kanten der Prüfobjekte auf, da die Kanteneigenschaften wesentlich die Wechselwirkung Licht – Prüfobjekt beeinflussen. Daher sind Auflichtbeleuchtungen für das metrische Messen nicht geeignet.

Viele Anwendungen der Bildverarbeitung müssen auf Auflichtbeleuchtungen zurückgreifen, da die Vorgaben vom maschinellen Umfeld Durchlicht nicht ermöglichen, z.B. bei

  • Pick & Place - Robotern
  • Inspektion von Teilen auf Transportbändern
  • Montageautomaten

Durchlichtbeleuchtung

Beleuchtungen im Durchlicht ermöglichen die kontrastreiche und kantenscharfe Darstellung der Umrisse und Konturen von lichtundurchlässigen Teilen. Mit telezentrischem Durchlicht lassen sich auch viele transparente und teiltransparente Teile im Durchlicht prüfen. Das gilt ebenso für Anwendungen, bei denen es auf Präzision, wie beim metrischen Messen ankommt.

Durchlichtbeleuchtungen zeichnen sich i.A. durch ihre Lichtstärke unabhängig vom Beleuchtungsabstand zum Prüfobjekt aus und eignen sich dadurch auch besonders für Hochgeschwindigkeitsanwendungen der Bildverarbeitung.
Trotz der Vorteile sind die Anwendungsmöglichkeiten der Durchlichtbeleuchtung meist dadurch eingeschränkt, da sie stark auf die Konstruktion der Maschinen zurückwirken und daher nicht immer umgesetzt werden können.

Hellfeldbeleuchtung

Bei dieser Beleuchtungsart erscheint die beleuchtete Fläche ohne Prüfobjekt dadurch hell, dass die Beleuchtung sich auf der optischen Achse von Kamera und Objektiv oberhalb (Auflicht) oder unterhalb (Durchlicht) des Prüfobjektes befindet. Die Kamera „schaut in die Beleuchtung hinein“ (Durchlicht) bzw. die Beleuchtung beleuchtet aus Beobachtungsrichtung der Kamera (Auflicht). Die zu erkennenden Details sind im Allgemeinen dunkel auf hell zu sehen.

 

Bild: Hellfeldbeleuchtung im Auflicht: Gelaserter Data-Matrix-Code auf glänzender Metalloberfläche. Der Lichteinfall aus Kamerarichtung erhellt die Metalloberfläche. Am Code wird das einfallende Licht in alle Richtungen gestreut und kommt nur zu einem geringen Anteil zur Kamera zurück und erscheint damit dunkel.

Dunkelfeldbeleuchtung

Ohne Prüfobjekt erscheint das Gesichtsfeld der Kamera bei Dunkelfeldbeleuchtung dunkel dadurch, dass sich die Beleuchtung außerhalb des Gesichtsfeldes der Kamera befindet. Erst wenn sich das Prüfobjekt im Gesichtsfeld befindet wirkt die Beleuchtung auf Kanten und Oberflächenelemente, so dass die zu erkennenden Details hell auf dunkel sichtbar werden.

Bild: Dunkelfeldbeleuchtung im Auflicht: Flasche, betrachtet von oben. Der seitliche Einfall des Lichtes macht den Splitter hell im dunklen Flaschenhals deutlich sichtbar.

Einige wesentliche Kriterien zur Beleuchtungsauswahl

  • Applikation in Farbe oder schwarz/weiß
    (Wirkung auf Auswahl der Wellenlängen / Lichtfarben)
  • Geschwindigkeit der Prüfobjekte
    (Auswirkungen auf Lichtleistung, Blitz)
  • Größe des zu beleuchtenden Feldes
    (Auswirkung auf Größe der Beleuchtung, Art der Lichtquellen)
  • Instandhaltungsaufwand
    (Auswirkungen auf Auswahl / Wegfall bestimmter Lichtquellen)
  • Umgebungsbedingungen
    (Auswirkungen auf Größe der Beleuchtung, Wellenlänge, Lichtfarbe etc.)


Darüber hinaus haben eine Reihe weiterer Faktoren Einfluss auf die zu wählende Beleuchtung. So ist die Beleuchtungsauswahl durch Fachleute ein finanziell und zeitlich sinnvoll in Anspruch zu nehmender Beratungsservice.