Die Beleuchtungstechnik ist eine der wichtigsten Entscheidungen bei der Auslegung von Systemen für das Maschinelle Sehen. Die Wahl zwischen Direktbeleuchtung und Diffuse Beleuchtung entscheidet darüber, welche Oberflächenmerkmale sichtbar sind, welche Fehler erkennbar sind und ob das Bild genügend Kontrast aufweist, um eine zuverlässige Leistungsfähigkeit des Algorithmus zu gewährleisten.
Direkte Beleuchtung und Diffuse Beleuchtung sind nicht lediglich zwei Helligkeitseinstellungen. Es handelt sich um grundlegend unterschiedliche Arten, Licht auf eine Oberfläche zu lenken. Jede davon basiert auf unterschiedlichen optischen Phänomenen und bringt jeweils unterschiedliche Kategorien von Oberflächeninformationen zum Vorschein. Ein fundiertes Verständnis beider Konzepte ist für jeden Ingenieur, der eine Zelle für das Maschinelle Sehen entwirft, unerlässlich.
1. Grundsätze der direkten Beleuchtung
Bei der Direktbeleuchtung wird das Licht aus einem definierten Winkel oder einer Reihe von Winkeln auf das Objekt gerichtet. Das Licht breitet sich in einer kontrollierten Richtung aus und trifft unter einem bestimmten Einfallswinkel auf die Oberfläche. Die Kamera erfasst das Licht, das je nach Oberflächenbeschaffenheit entweder spiegelnd reflektiert oder diffus gestreut wird.
Auf einer glatten, reflektierenden Oberfläche erzeugt eine Direktbeleuchtung in einem kontrollierten Winkel eine spiegelnde Reflexion, die hell und scharf ist. Ist die Oberfläche vollkommen eben und der Beleuchtungswinkel richtig eingestellt, erscheint die gesamte Oberfläche gleichmäßig hell. Jede Abweichung von der Ebenheit – ein Kratzer, eine Delle, eine erhabene Grate – lenkt das reflektierte Licht von der Kamera ab und erscheint vor dem hellen Hintergrund als dunkler Bereich. Dies ist das Prinzip der Direktbeleuchtung im Hellfeld bei der Prüfung ebener Oberflächen.
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Direktbeleuchtung des Dunkelfeldes
Wird der Beleuchtungswinkel so verändert, dass die spiegelnde Reflexion nicht in das Kameraobjektiv eintritt, erscheint die glatte Oberfläche dunkel. Nur Oberflächenmerkmale, die das Licht streuen – Kratzer, Partikel, erhabene Kanten, Strukturunterschiede – erscheinen vor dem dunklen Hintergrund hell. Dies ist die Dunkelfeldbeleuchtung.
Die Dunkelfeldbeleuchtung wird zur Waferinspektion, zur Qualitätskontrolle optischer Komponenten sowie zur Erkennung feiner Oberflächenkratzer an Metall- und Kunststoffteilen eingesetzt. Die im Vergleich zum Hellfeld umgekehrte Kontrastdarstellung – bei der Defekte hell statt dunkel erscheinen – ist ein entscheidender Vorteil, wenn der Defektbereich im Verhältnis zur Gesamtoberfläche klein ist.
Koaxiale Direktbeleuchtung
Die Koaxialbeleuchtung ist eine spezielle Form der Direktbeleuchtung, bei der das Licht über einen Strahlteiler entlang der optischen Achse der Kamera geleitet wird. Die spiegelnde Reflexion von einer ebenen, senkrechten Oberfläche wird entlang der optischen Achse zurückgestrahlt und gelangt in die Kamera, wodurch sie gleichmäßig hell erfasst wird. Geneigte oder gekrümmte Oberflächen reflektieren das Licht von der Achse weg und werden dunkel erfasst.
Die koaxiale Beleuchtung ist die Methode der Wahl für die Prüfung flacher, stark reflektierender Oberflächen wie Leiterplattenpads, polierte Metallbauteile und Glasoberflächen. Sie beseitigt die Schattenartefakte, die bei einer außeraxialen Beleuchtung auftreten, und macht Höhenunterschiede der Oberfläche als Helligkeitsübergänge sichtbar.
2. Grundsätze der diffusen Beleuchtung
Bei der Diffusen Beleuchtung wird das Objekt aus einem großen Raumwinkel beleuchtet – also aus vielen Richtungen gleichzeitig und nicht aus einer einzigen definierten Richtung. Das Licht trifft aus allen Winkeln innerhalb der beleuchteten Halbkugel auf die Oberfläche. Auf einer matten Oberfläche führt dies zu einer gleichmäßigen Ausleuchtung, unabhängig von der Ausrichtung der Oberfläche oder ihrer lokalen Krümmung.
Das wesentliche Merkmal der Diffusen Beleuchtung ist ihre Unempfindlichkeit gegenüber der Ausrichtung der Oberfläche. Ein gekrümmtes Bauteil, eine dreidimensionale Baugruppe oder eine Oberfläche mit komplexer Geometrie wird gleichmäßig ausgeleuchtet. Es entstehen weder Schatten durch Oberflächenreliefs noch helle Spiegelungsherde, noch dunkle Bereiche durch Oberflächenfacetten, die das Licht von der Kamera wegreflektieren.
Kuppelbeleuchtung
Die Kuppelbeleuchtung ist das Standardwerkzeug für die diffuse Beleuchtung im Bereich des Maschinellen Sehens. Ein halbkugelförmiges oder flaches Kuppelgehäuse ist innen mit einem stark streuenden weißen Material beschichtet. LEDs beleuchten das Innere der Kuppel, und das Objekt befindet sich an der Öffnung, wo es von Licht beleuchtet wird, das von der gesamten Innenfläche der Kuppel ausgeht.
Die Kuppelbeleuchtung eignet sich für reflektierende Objekte, bei denen eine Direktbeleuchtung zu unerwünschten Blendungen führen würde: Kosmetikverpackungen, Fahrzeugverkleidungen, elektronische Bauteile und Schmuck. Sie eignet sich für alle Anwendungen, bei denen die Oberfläche eine variable Krümmung aufweist und gleichmäßig geprüft werden muss.
Flache Kuppelbeleuchtung
Die flache Kuppelbeleuchtungseinheit ist eine Variante mit geringerem Profil, die eine Diffuse Beleuchtung durch eine flache Frontöffnung bietet. Sie eignet sich für Prüfstationen, an denen der Einbauraum begrenzt ist oder an denen das Objekt zu groß ist, um in eine Standardkuppel aufgenommen zu werden.
Die Flachkuppel-Beleuchtungseinheiten der Roder Vision FD-Serie sind für Anwendungen konzipiert, die eine hochwertige Diffuse Beleuchtung in flacher, platzsparender Bauweise erfordern. Dank verschiedener Größen decken sie Sichtfelder ab, die von kleinen Bauteilen bis hin zu großen Baugruppen reichen.
3. Anwendungsmatrix: Wann ist welche Technik zu wählen?
Die Wahl zwischen Direktbeleuchtung und Diffuse Beleuchtung hängt von den Oberflächeneigenschaften des Objekts und der Art der Prüfungsaufgabe ab. Das nachstehende Schema deckt die gängigsten Prüfszenarien ab.
Flache reflektierende Oberflächen: Leiterplatten, Metall, Glas
Flache, reflektierende Oberflächen lassen sich am besten mit koaxialer Direktbeleuchtung untersuchen. Zur Oberflächenfehlerkennung wie Kratzern und Vertiefungen ist die Direktbeleuchtung im Dunkelfeld mit kleinem Einfallswinkel empfindlicher als jede diffuse Beleuchtungstechnik. Die Kuppelbeleuchtung liefert zwar ein gleichmäßiges Bild auf flachen, reflektierenden Oberflächen, weist jedoch in der Regel einen geringeren Kontrast auf, was das Erkennen kleiner Oberflächenfehler erschwert.
Dreidimensionale und gekrümmte Bauteile
Bauteile mit komplexer dreidimensionaler Geometrie oder variabler Krümmung lassen sich am besten mit diffusen Beleuchtungstechniken ausleuchten. Die Kuppel- oder Flache Dombeleuchtung beseitigt die Schatten- und Blendeffekte, die bei Direktbeleuchtung auf gekrümmten Oberflächen entstehen. Dies ist der bevorzugte Ansatz für Kunststoffformteile, Metallgussteile und Baugruppen, bei denen sich die Richtung der Oberflächennormalen über das Sichtfeld hinweg deutlich verschiebt.
Etiketteninspektion, Druck- und Barcode-Prüfung
Beim Auslesen von Etiketten, bei der OCR (Optische Zeichenerkennung) und bei der Barcode-Prüfung wird in der Regel eine Direktbeleuchtung unter einem kontrollierten Winkel eingesetzt, um den Kontrast zwischen der Druckfarbe und dem Etikettenträger so hoch wie möglich zu gestalten. Bei glänzenden Etiketten mindert eine flachwinklige oder polarisierte Beleuchtung spiegelnde Reflexionen von der Substratoberfläche. Bei matten Etiketten reicht in der Regel eine frontseitige Direktbeleuchtung in einem moderaten Winkel aus.
Oberflächenstruktur und Oberflächenfehlerkennung
Erhabene Strukturen und Oberflächenreliefs lassen sich am besten durch Direktbeleuchtung aus einem flachen Winkel erkennen, da Schatten hier ihre Sichtbarkeit verstärken. Farb- oder Verunreinigungsfehler auf Oberflächen mit komplexer Geometrie lassen sich besser durch Diffuse Beleuchtung erkennen, da die Oberflächengeometrie die Messung der Farbgleichmäßigkeit nicht beeinträchtigt.
4. Roder Vision-Produkte für jeden Ansatz
ROder Vision entwickelt Beleuchtungseinheiten, die sowohl für Direktbeleuchtung als auch für Diffuse Beleuchtung ausgelegt sind. Die vier unten aufgeführten Serien umfassen die repräsentativsten Lösungen für den jeweiligen Ansatz.
Produkte und Technologien
DL6 – LED-Matrix mit hoher Packungsdichte
Direktbeleuchtung für ebene Oberflächen, Etiketteninspektion und Barcode-Lesen. Hohe Beleuchtungsstärke im Stroboskopmodus. HTTM-Thermostabilität. Mehrwellenlängenbetrieb.
DC6 — LED-Ringbeleuchtung mit hoher Dichte
Nahezu koaxiale Direktbeleuchtung zur Prüfung ebener Oberflächen, zur Beurteilung der Druckqualität und zur Überprüfung von Leiterplattenbauteilen. Kompakt und für mehrere Wellenlängen geeignet.
FD2 – Flat Dome LED-Beleuchtungseinheiten
Diffuse Beleuchtung für reflektierende, gekrümmte oder geometrisch komplexe Bauteile. Schattenfreie Beleuchtung. Verhindert Spiegelblendung. In verschiedenen Größen erhältlich.
DL5 – Hochintensitäts-LED-Matrix
Hochintensive Direktbeleuchtung für Dunkelfeld- und Hellfeldverfahren. Sehr hohe Spitzenintensität im Stroboskopmodus für die Hochgeschwindigkeits-Oberflächenprüfung.
Häufig gestellte Fragen
Eine Direktbeleuchtung wird bevorzugt für die Oberflächenfehlerkennung auf ebenen Oberflächen, die koaxiale Inspektion stark reflektierender Oberflächen wie Leiterplatten-Pads oder poliertes Metall, die Kratzerkennung im Dunkelfeld sowie für Barcode- oder OCR-Anwendungen, bei denen ein definierter Beleuchtungswinkel den Druckkontrast so weit wie möglich erhöht.
Diffuse Beleuchtung eignet sich für komplexe dreidimensionale Geometrien, gekrümmte Oberflächen und stark reflektierende Teile, bei denen eine Direktbeleuchtung unerwünschte Schatten oder spiegelnde Hotspots verursachen würde. Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen Kosmetikverpackungen, die Prüfung von Guss- und Formteilen sowie komplexe Baugruppen.
Ja. Die Beleuchtungseinheiten werden unabhängig voneinander von der Steuerung des Visionssystems angesteuert. Eine flache Kuppel sorgt bei einer Aufgabe für eine Diffuse Beleuchtung, während eine Ringbeleuchtung bei einer anderen Aufgabe für eine Direktbeleuchtung sorgt; beide dienen derselben Kamerastation.
Bei der Dunkelfeldbeleuchtung kommt eine Direktbeleuchtung mit sehr flachem Einfallswinkel zum Einsatz. Die glatte Oberfläche erscheint dunkel, während Oberflächenmerkmale, die Licht streuen – wie Kratzer, Partikel und erhabene Kanten – hell erscheinen. Dieses Verfahren wird eingesetzt, um feine Oberflächenfehler an polierten Teilen zu erkennen, bei denen der Kontrast unter herkömmlicher Beleuchtung zu gering ist.
Nein. Die Wahl der Wellenlänge ist unabhängig davon, ob eine direkte oder diffuse Beleuchtung gewählt wird. NIR-Wellenlängen können spiegelnde Reflexionen von Kunststoffoberflächen unterdrücken, und UV-Wellenlängen machen Verunreinigungen und fluoreszierende Materialien besser sichtbar. Beides gilt gleichermaßen für direkte und diffuse Beleuchtungsgeometrien.
Kontakte & Informationen
Kontakt für allgemeine Informationen : info@roder.it
Partner für System- und Sensorintegration : www.roder.it
RODER Bildverarbeitungs-Abteilung : www.rodervision.com
RODER Abteilung Messinstrumente : www.innovacheck.com
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