Standard-Frontbeleuchtung für kooperative matte und halbmatte Oberflächen
- Mäßige Winkel von 20–60° erzeugen einen spiegelnden und diffusen Rückanteil für helle, kontrastreiche Frontaufnahmen.
- Merkmale erscheinen dunkel vor hellem Hintergrund, wenn sie den spiegelnden Anteil streuen oder absorbieren.
- Ideal für OCR, 1D-/2D-Codelesung, bedruckte Etiketten, Kunststoffspritzguss, bearbeitetes Metall und die allgemeine Montageprüfung.
- Mehrere azimutale Quellen (Ring, gegenüberliegende Balkenpaare oder Vierer-Arrays) heben gerichtete Schatten auf.
- Der Kompromiss zwischen direkten LEDs und diffusem Flächenstrahler bestimmt das Verhältnis von Reflexunterdrückung zu lokalem Merkmalskontrast.
- Nicht geeignet für stark spiegelnde oder stark gekrümmte Oberflächen – hier sollten Kuppel-, Flat-Dome- oder Dunkelfeldkonfigurationen erwogen werden.
Die Hellfeldbeleuchtung ist die Standardkonfiguration der Frontbeleuchtung in der industriellen Bildverarbeitung und arbeitet bei mäßigen Einfallswinkeln von etwa 20 bis 60 Grad zur optischen Achse. Sie erzeugt helle, kontrastreiche Bilder kooperativer Oberflächen und ist die Geometrie, an der alle anderen winkelbasierten Konfigurationen gemessen werden. Der Begriff rührt daher, dass der Großteil der geprüften Oberfläche im resultierenden Bild hell erscheint, wobei die interessierenden Merkmale als dunkle Kontrastunterschiede vor diesem hellen Hintergrund hervortreten.
Funktionsprinzip der Hellfeldbeleuchtung
In einer Hellfeldkonfiguration wird die Beleuchtung so positioniert, dass ihre Abstrahlachse einen mäßigen Winkel mit der optischen Achse der Kamera bildet. Das auf die Objektoberfläche treffende Licht erzeugt eine Spiegelreflexion, die bei annähernd senkrecht zur Kamera ausgerichteten Oberflächen zum Sensor zurückkehrt und wesentlich zur Bildhelligkeit beiträgt. Der diffuse Anteil, der in alle Richtungen gestreut wird, steuert eine zusätzliche gleichmäßige Helligkeit über das gesamte Bild bei.
Die Kombination aus spiegelndem und diffusem Anteil ergibt ein Bild mit hoher mittlerer Helligkeit (daher Hellfeld), dessen Kontrast von den örtlichen Unterschieden in Oberflächenausrichtung, Reflexionsgrad und Textur bestimmt wird. Merkmale, die Licht von der Kamera weg streuen, etwa Kanten, Vertiefungen und absorbierende Markierungen, erscheinen dunkler als die umgebende Oberfläche; Merkmale, die den spiegelnden Rückanteil verstärken, etwa erhabene reflektierende Markierungen, erscheinen heller.
Hellfeld und koaxial: eine geometrische Unterscheidung
Hellfeld- und Koaxialbeleuchtung beruhen beide darauf, dass die Spiegelreflexion die Kamera erreicht, unterscheiden sich jedoch im Winkel, unter dem diese Reflexion auftritt. Die Koaxialbeleuchtung arbeitet bei Winkel null und erzeugt maximale Helligkeit auf ebenen, senkrecht zur optischen Achse stehenden Flächen. Das Hellfeld arbeitet bei mäßigen Winkeln und hängt etwas weniger von perfekter Rechtwinkligkeit ab, um den Preis einer etwas höheren Empfindlichkeit gegenüber Oberflächenneigung und -textur.
Typische industrielle Anwendungen
Die Hellfeldbeleuchtung ist die Standardwahl für die optische Zeichenerkennung (OCR) auf kooperativen Substraten; für das Lesen ein- und zweidimensionaler Codes auf bedruckten Etiketten und Verpackungen; für die allgemeine Inspektion von Kunststoffspritzguss- und bearbeiteten Metallteilen; für die Qualitätskontrolle von Druckerzeugnissen hinsichtlich Farbdeckung, Passer und Farbtreue; für die Oberflächeninspektion von Textilien und Papierbahnen; für die Prüfung montierter Komponenten in Produktionslinien; für das Lesen von Datums- und Chargennummern auf Verpackungen; und für jede Frontbeleuchtungsanwendung, bei der die Oberfläche kooperativ ist und die interessierenden Merkmale ausreichend Kontrast vor dem hellen Hintergrund erzeugen. Diese Anwendungen werden typischerweise von den Familien der LED-Ringbeleuchtungen, LED-Balkenbeleuchtungen und LED-Flächenbeleuchtungen in ihren Direktabstrahl-Ausführungen abgedeckt.
Auswahlkriterien und Auslegungsaspekte
Der Einfallswinkel ist der wichtigste Auslegungsparameter. Winkel zwischen 20 und 30 Grad erzeugen ein nahezu koaxiales Hellfeld mit starkem spiegelndem Rückanteil und hoher Empfindlichkeit gegenüber Oberflächenneigung. Winkel zwischen 30 und 60 Grad erzeugen ein ausgewogenes Hellfeld mit einer guten Mischung aus spiegelnden und diffusen Anteilen und mäßiger Toleranz gegenüber Oberflächenschwankungen. Winkel über 60 Grad nähern sich dem Dunkelfeldverhalten und werden als Hellfeldkonfiguration ineffizient.
Die Abstrahlcharakteristik der Beleuchtung (bestimmt durch das LED-Gehäuse und einen etwaigen Frontdiffusor) entscheidet, ob die Hellfeldkonfiguration scharfe Spiegelreflexe oder eine weichere, gleichmäßigere Ausleuchtung erzeugt. Direkte LEDs mit engem Abstrahlwinkel erzeugen ein hartes Hellfeld mit hohem lokalem Kontrast. Diffuse Flächenstrahler erzeugen ein weiches Hellfeld mit geringeren Reflexen auf glänzenden Oberflächen und geringerem lokalem Kontrast auf strukturierten Oberflächen.
Kombination mehrerer Hellfeldquellen
Hellfeldbeleuchtung wird an Inspektionsstationen in der Produktion selten mit einer einzigen Quelle eingesetzt. Mehrere Hellfeldquellen unter verschiedenen azimutalen Winkeln um die Kamera sorgen für Richtungssymmetrie und heben die gerichteten Schatten auf, die eine einzelne Quelle erzeugen würde. Zwei gegenüberliegende Quellen, vier quadratisch angeordnete Quellen oder vollständige Ringbeleuchtungen sind allesamt Hellfeldkonfigurationen mit mehreren Quellen, die sich vor allem in der Gleichmäßigkeit der Winkelabdeckung unterscheiden.
Integration und Grenzen
Die Hellfeldbeleuchtung ist mechanisch einfach zu integrieren: Die Quelle wird in festem Winkel auf derselben Tragstruktur wie die Kamera montiert. Die kompakten Abmessungen üblicher Hellfeldbeleuchtungen erlauben den Einbau in beengte Inspektionszellen, Mehrstationen-Konfigurationen und Roboterendeffektoren. Leistungsaufnahme und Wärmeabgabe sind im Vergleich zu koaxialen oder Dunkelfeldkonfigurationen gleicher Intensität moderat.
Die wesentliche optische Einschränkung des Hellfelds ist seine Empfindlichkeit gegenüber Oberflächenschwankungen. Auf stark spiegelnden Prüfobjekten erzeugt das Hellfeld starke Reflexe, die den Sensor in einzelnen Bereichen sättigen können. Auf stark gekrümmten Prüfobjekten erzeugt die wechselnde Oberflächenausrichtung Intensitätsgradienten, die die interessierenden Merkmale verdecken. In diesen Fällen sollten Kuppel-, Flat-Dome- oder Dunkelfeldkonfigurationen erwogen werden. Das Hellfeld bleibt gleichwohl die effizienteste und vielseitigste Frontbeleuchtungskonfiguration für kooperative matte und halbmatte Prüfobjekte, die die Mehrzahl der industriellen Inspektionsaufgaben ausmachen.
LED-Hellfeldbeleuchtungen von RODER Vision
RODER Vision entwickelt und fertigt LED-Beleuchtungen für Hellfeldgeometrien in industriellen Bildverarbeitungsanwendungen, mit Ring-, Balken- und Flächenkonfigurationen für kooperative matte und halbmatte Prüfobjekte.
- Multiazimutale Ringgeometrien für schattenausgeglichenes Hellfeld — LED-Ringbeleuchtungen
- Lineare Konfigurationen für die Hellfeldinspektion langgestreckter Felder — LED-Balkenbeleuchtungen
- Flächengeometrien für große Hellfeld-Inspektionsbereiche — LED-Flächenbeleuchtungen
- Anwendungsspezifische mehrwinklige Hellfeldbaugruppen — Kundenspezifische LED-Beleuchtungen
Für schnelle Inspektionslinien, die eine synchronisierte gepulste Hellfeldbeleuchtung erfordern, umfasst der RODER-Katalog spezielle LED-Treiber und elektronische Controller, die mit industriellen Bildverarbeitungscontrollern und SPS kompatibel sind.