LED-Hintergrundbeleuchtungen: Ein praktischer Leitfaden zur Silhouetten- und Durchlichtprüfung

Bei der Hintergrundbeleuchtung wird die Lichtquelle hinter dem zu prüfenden Objekt platziert und auf die Kamera gerichtet. Das Objekt erscheint als dunkle Silhouette vor einem hellen, gleichmäßigen Hintergrund. Diese Technik liefert Bilder mit einem der höchsten Kontraste, die im Maschinellen Sehen erreichbar sind, und eignet sich daher ideal für die Dimensionsmessung, die Kantenerkennung sowie die Inspektion transparenter oder halbtransparenter Materialien.

Im Gegensatz zu Techniken der reflektierten Beleuchtung, bei denen Oberflächenstruktur, Farbe und Reflexionsgrad das Bild gleichermaßen beeinflussen, ist die Silhouettenbildgebung mit Hintergrundbeleuchtung weitgehend unempfindlich gegenüber den Oberflächeneigenschaften des Objekts. Die Kontur des Objekts wird durch die Grenze zwischen dem hellen Hintergrund und der dunklen Objektsilhouette definiert. Diese Grenze ist scharf, kontrastreich und über verschiedene Chargen und Oberflächenausführungen desselben Bauteiltyps hinweg reproduzierbar.

So funktioniert die Hintergrundbeleuchtung

Eine Hintergrundbeleuchtung besteht aus einer LED-Anordnung und einer Diffusorplatte. Die LEDs erzeugen das Licht, und der Diffusor verteilt das Licht der einzelnen LED-Strahler zu einer gleichmäßigen, ausgedehnten Flächenquelle. Das Objekt befindet sich zwischen dem Diffusor und der Kamera. Die Kamera nimmt den Diffusor durch das Objekt hindurch auf und erfasst den hellen Diffusor überall dort, wo das Objekt das Licht nicht verdeckt, sowie eine dunkle Silhouette an den Stellen, an denen das Objekt vorhanden ist.

Der wichtigste Leistungsparameter einer Hintergrundbeleuchtung ist die Leuchtdichtegleichmäßigkeit. Die Gleichmäßigkeit beschreibt, wie gleichmäßig die Helligkeit über den aktiven Bereich der Hintergrundbeleuchtung verteilt ist. Eine Gleichmäßigkeit von 95 % bedeutet, dass der dunkelste Punkt auf der aktiven Fläche mindestens 95 % so hell ist wie der hellste Punkt. Eine hohe Gleichmäßigkeit ist für eine präzise Kantenerkennung unerlässlich, da ein ungleichmäßiger Hintergrund scheinbare Helligkeitsgradienten erzeugt, die die wahrgenommene Kantenposition verschieben.

Silhouettenmodus vs. Transmissionsmodus

Hintergrundbeleuchtungen dienen zwei unterschiedlichen Prüfmodi: dem Silhouettenmodus und dem Durchlichtmodus.

Silhouettenmodus: Dimensionsmessung und Kantenerkennung

Im Silhouettenmodus ist das Objekt undurchsichtig, und die Prüfung stützt sich auf den Umriss des Objekts vor dem hellen Hintergrund. Die Kamera ermittelt die Position der Silhouettenkanten, um die Abmessungen des Objekts zu berechnen. Dies dient der Go/No-Go-Prüfung von bearbeiteten Teilen, der Durchmessermessung zylindrischer Bauteile, der Profilmessung von Stanz- oder Formteilen sowie der Erkennung fehlender Merkmale wie Bohrungen oder Laschen.

Der Silhouettenmodus ist äußerst präzise, da der Kantenkontrast sehr hoch ist. Algorithmen zur Subpixel-Kantenerkennung können die Kantenposition unter guten Beleuchtungsbedingungen auf weniger als 0,1 Pixel genau bestimmen. Bei einer Kamera mit einer Pixelgröße von 10 Mikrometern in der Objektebene bedeutet dies eine Wiederholgenauigkeit bei der Dimensionsmessung von besser als 1 Mikrometer.

Transmissionsmodus: Transparente und halbtransparente Materialien

Im Durchlichtmodus lässt das Objekt einen Teil der Hintergrundbeleuchtung durchscheinen. Die Kamera erfasst räumliche Schwankungen in der durchgelassenen Intensität, anhand derer innere Merkmale, Einschlüsse, Verunreinigungen oder strukturelle Defekte erkannt werden, die die Lichtdurchlässigkeit beeinträchtigen. Dies dient der Prüfung von Glasscheiben, Kunststofffolien, pharmazeutischen Tabletten und Halbleiterwafern.

Die Inspektion im Durchlichtmodus erfordert eine Hintergrundbeleuchtung mit sehr hoher Gleichmäßigkeit, da jede Ungleichmäßigkeit in der Hintergrundbeleuchtung als Merkmal des Objekts interpretiert wird. Auch die Wellenlänge der Beleuchtung kann von Bedeutung sein. Bestimmte Fehler in transparenten Materialien sind nur bei bestimmten Wellenlängen sichtbar. Die Hintergrundbeleuchtungen der RODER Vision BL-Serie sind in verschiedenen Wellenlängen erhältlich, darunter UV, Blau, Grün, Rot und Nahes Infrarot, um wellenlängenspezifische Transmissionsprüfungen zu ermöglichen.

Diffusor-Typen und ihre Auswirkungen auf die Gleichmäßigkeit

Der Diffusor ist das optische Element, das die Gleichmäßigkeit der Hintergrundbeleuchtung bestimmt. Beim Maschinellen Sehen kommen drei Haupttypen von Diffusoren zum Einsatz.

Opal-Diffusoren

Opal-Diffusoren sind durchscheinende weiße Platten, die das Licht durch Volumendiffusion streuen. Sie sorgen für eine gleichmäßige, homogene Lichtverteilung, verringern jedoch die Gesamtleuchtdichte, da ein Großteil des Lichts nicht nach vorne in Richtung der Kamera, sondern nach hinten in Richtung der LED-Quelle gestreut wird. Opal-Diffusoren sind kostengünstig und erzielen eine hervorragende Lichtgleichmäßigkeit, allerdings bei einer geringeren Gesamthelligkeit als bei direkten oder speziell entwickelten Diffusorkonstruktionen.

Technisch entwickelte Diffusoren

Technisch ausgearbeitete Diffusoren nutzen strukturierte mikrooptische Oberflächen, um die Winkelverteilung des emittierten Lichts präziser zu steuern als Opal-Diffusoren. Sie können bei höherer Leuchtdichte eine höhere Lichtgleichmäßigkeit erzielen als Opal-Konstruktionen, da sie einen größeren Teil des verfügbaren Lichts in Vorwärtsrichtung lenken. Technisch entwickelte Diffusoren kommen in den hochhomogenen Hintergrundbeleuchtungen der BL-Serie von Roder Vision zum Einsatz, bei denen sowohl Helligkeit als auch Gleichmäßigkeit von entscheidender Bedeutung sind.

Konstruktionen mit Direktbeleuchtung

Bei einigen Konzepten für die Hintergrundbeleuchtung kommt ein LED-Array mit hoher Dichte ohne separaten Diffusor zum Einsatz; stattdessen wird auf den engen Abstand der Leuchtdioden und einen kurzen Arbeitsabstand gesetzt, um eine akzeptable Gleichmäßigkeit zu erreichen. Diese Konzepte erzielen höhere Spitzenleuchtdichten als diffuse Konzepte, weisen jedoch in der Regel eine geringere Gleichmäßigkeit auf. Sie eignen sich für Fälle, in denen maximale Helligkeit die Hauptanforderung ist und die Gleichmäßigkeit zweitrangig ist.

Spezifikationen zur Gleichmäßigkeit: Was die Zahlen bedeuten

Die Gleichmäßigkeit der Hintergrundbeleuchtung wird in Prozent angegeben. Übliche Werte sind 90 %, 95 % und 98 % Gleichmäßigkeit. Diese Werte beschreiben das Verhältnis der minimalen zur maximalen Leuchtdichte, gemessen über den aktiven Bereich der Hintergrundbeleuchtung, ausgedrückt in Prozent.

Bei Anwendungen zur Maßmessung stellt eine Gleichmäßigkeit von unter 90 % in der Regel ein Problem dar. Die scheinbare Kantenposition verschiebt sich, wenn die Helligkeit des Hintergrunds schwankt. Eine Abweichung der Gleichmäßigkeit um 10 % kann je nach verwendetem Kantenerkennungsalgorithmus zu Fehlern bei der Kantenposition von mehreren Pixeln an einem Übergang von hell nach dunkel führen.

Für die Inspektion transparenter Materialien im Transmissionsmodus wird in der Regel eine Gleichmäßigkeit von mindestens 95 % gefordert. Merkmale, die die Transmission nur um wenige Prozent verringern, müssen vor einem gleichmäßigen Hintergrund erkennbar bleiben. Wenn der Hintergrund selbst um 5 % oder mehr variiert, lassen sich kleine Transmissionsabweichungen nur schwer von Unebenheiten des Hintergrunds unterscheiden.

Auslegung einer Hintergrundbeleuchtung für Ihre Anwendung

Aktiver Bereich und Sichtfeld

Der aktive Bereich der Hintergrundbeleuchtung muss mindestens so groß sein wie das Sichtfeld der Kamera in der Objektebene. Falls ein Teil des Sichtfelds der Kamera außerhalb des aktiven Bereichs der Hintergrundbeleuchtung liegt, wird dieser Bildbereich dunkel dargestellt, wodurch es unmöglich ist, dort Objektkanten zu erkennen.

In der Praxis sollte der aktive Bereich der Hintergrundbeleuchtung um einen Spielraum größer sein als das Sichtfeld, der die Toleranzen bei der optischen Ausrichtung sowie den Halbschattenbereich an den Rändern der Hintergrundbeleuchtung abdeckt, in dem die Gleichmäßigkeit möglicherweise geringer ist. Ein Spielraum von 10 % bis 20 % auf jeder Seite ist üblich.

Arbeitsabstand und Vergrößerung

Das Objekt wird in der Regel nahe an der Oberfläche der Hintergrundbeleuchtung platziert, um Penumbra-Effekte an den Objektkanten zu minimieren. Penumbra entsteht, da die Hintergrundbeleuchtung eine ausgedehnte Flächenquelle darstellt. Verschiedene Teile der Lichtquelle beleuchten das Objekt aus leicht unterschiedlichen Winkeln, sodass der Übergang von beleuchtet zu im Schatten liegend am Rand des Objekts eher allmählich als scharf verläuft. Dieser allmähliche Übergang – die Penumbra – beeinträchtigt die Kantenschärfe und die Messgenauigkeit.

Wenn Sie das Objekt so nah wie möglich an die Fläche der Hintergrundbeleuchtung platzieren, wird die Breite der Halbschattenzone auf ein Minimum reduziert. Für hochpräzise Messanwendungen sollte der Abstand zwischen Objekt und Hintergrundbeleuchtung nach Möglichkeit unter 10 mm liegen.

Mehrwellenlängen-Hintergrundbeleuchtungen für die Durchlichtprüfung

Bei einigen Anwendungen zur Durchlichtprüfung ist die Beleuchtung mit bestimmten Wellenlängen vorteilhafter als mit weißem Licht. Glasfehler lassen sich unter UV- oder blauen Wellenlängen möglicherweise besser erkennen. Einschlüsse in Kunststofffolien weisen unter Nahem Infrarot, bei dem die Folie teilweise transparent ist, möglicherweise einen besseren Kontrast auf. Bei der Prüfung von Arzneimitteltabletten können bestimmte Wellenlängen zum Einsatz kommen, bei denen der Wirkstoff charakteristische Absorptionseigenschaften aufweist.

Die Hintergrundbeleuchtungen der Roder Vision BL-Serie sind sowohl in verschiedenen Einzelwellenlängen als auch in Weiß erhältlich. Dadurch kann der Ingenieur die Wellenlänge auswählen, die den Kontrast des zu erkennenden Defekts im Durchlichtbild am stärksten hervorhebt. Neben der wellenlängenspezifischen Hintergrundbeleuchtung muss eine Kamera mit der entsprechenden spektralen Empfindlichkeit ausgewählt werden – eine erhöhte Blauempfindlichkeit für UV- oder Blaulichtbeleuchtung oder ein NIR-empfindlicher Sensor für NIR-Beleuchtung.

Integration in Fördersysteme

Hintergrundbeleuchtungen für die Inline-Prüfung auf Fördersystemen werden in der Regel unterhalb des Förderbandes angebracht. Das Förderband muss transparent sein oder einen transparenten Abschnitt aufweisen, der auf den Prüfbereich ausgerichtet ist. Das Objekt läuft über den transparenten Abschnitt, die Hintergrundbeleuchtung beleuchtet es von unten, und die Kamera erfasst es von oben.

Alternativ kann die Hintergrundbeleuchtung oberhalb des Förderbands angebracht werden, wobei sich die Kamera darunter befindet – für Anwendungen, bei denen die Unterseite des Objekts die relevante Prüfoberfläche darstellt. In beiden Konfigurationen muss die Hintergrundbeleuchtung synchron mit der Belichtung der Kamera ausgelöst werden, um eine gleichbleibende Ausleuchtung über alle Einzelbilder hinweg zu gewährleisten. Die Hintergrundbeleuchtungen der Roder Vision BL-Serie unterstützen digitale Triggereingänge für den synchronisierten Blitzbetrieb.

Produkte und Technologien

RODER Vision – Produktfamilien der Beleuchtungseinheiten für die Hintergrundbeleuchtung der BL-Serie

Die BL-Serie umfasst eine Vielzahl von Größen, Gleichmäßigkeitsstufen und Wellenlängenoptionen für die Silhouetten- und Transmissionsprüfung. Alle Produkte werden in Italien gemäß den ISO 9001-Normen hergestellt und durchlaufen einen 48-stündigen Einbrenn-Test.

Häufig gestellte Fragen