On-Axis-Spiegelabbildung für ebene reflektierende Oberflächen und Direktmarkierungen
- Der Einfallswinkel null über einen 45°-Strahlteiler liefert maximalen spiegelnden Rückanteil von ebenen, senkrecht stehenden Oberflächen.
- Fehler, Kanten und Gravuren erscheinen als dunkle Merkmale auf hellem spiegelndem Hintergrund – ideal für DPM und Lasermarkierungen.
- Ideal für polierte Metalle, Siliziumwafer, verspiegelte Beschichtungen und andere ebene spiegelnde Substrate.
- Erfordert entspiegelte Strahlteiler, um Geisterbilder und chromatische Dispersion über das gesamte Feld zu unterdrücken.
- 4-fache Lichtstromeinbuße, systembedingt durch die Strahlteilergeometrie – ausgeglichen durch höhere LED-Dichte oder Pulsbetrieb.
- Die Empfindlichkeit gegenüber Oberflächenneigung ist systembedingt – bei nicht ebenen oder strukturierten Prüfobjekten mit einer diffusen Frontquelle kombinieren.
Die koaxiale Beleuchtung, auch On-Axis- oder In-Line-Beleuchtung genannt, ist die Konfiguration der Wahl für die Inspektion ebener spiegelnder Oberflächen. Indem das Licht über einen halbdurchlässigen Strahlteiler entlang der optischen Achse der Kamera eingekoppelt wird, stellt die koaxiale Beleuchtung sicher, dass jeder senkrecht zur Kamera stehende Oberflächenbereich seine Spiegelreflexion direkt zum Sensor zurückwirft und so maximale Helligkeit erzeugt. Jede örtliche Abweichung von dieser senkrechten Ausrichtung, verursacht durch einen Fehler, eine Kante oder ein graviertes Merkmal, lenkt den spiegelnden Anteil vom Sensor weg und erscheint als dunkler Kontrastbereich.
Funktionsprinzip der koaxialen Beleuchtung
Eine koaxiale Beleuchtung vereint einen halbdurchlässigen 45-Grad-Strahlteiler, ein seitlich montiertes LED-Array und ein Gehäuse, das den Strahlteiler auf die optische Achse der Kamera ausrichtet. Die LEDs strahlen waagerecht auf den Strahlteiler, der die Hälfte des Lichts nach unten zum geprüften Objekt umlenkt. Die Kamera beobachtet das Objekt durch denselben Strahlteiler und erfasst die Spiegelreflexion jedes ebenen, senkrecht zur optischen Achse stehenden Oberflächenbereichs.
Der Einfallswinkel am Prüfobjekt beträgt bezogen auf die Kameraachse annähernd null Grad, das heißt, ebene Flächen parallel zur Bildebene der Kamera werfen die maximale Spiegelreflexion zum Sensor zurück. Jede Abweichung von dieser Ausrichtung, sei sie durch Oberflächenneigung, Mikromerkmale oder lasergravierte Markierungen verursacht, lenkt die Spiegelreflexion vom Sensor weg und erzeugt ein dunkles Merkmal im ansonsten hellen Bild.
Spiegelnder und diffuser Rückanteil bei koaxialer Beleuchtung
Die koaxiale Beleuchtung trennt ebene spiegelnde Oberflächen (die hell erscheinen) von jedem Oberflächenmerkmal, das die örtliche Ebenheit stört (und dunkel erscheint). Diese Zweiteilung ist besonders wirkungsvoll für die Inspektion polierter Metalle, von Siliziumwafern, verspiegelten Beschichtungen und lasergravierten Direktmarkierungen, bei denen die relevanten Merkmale per Definition Abweichungen von einer ebenen reflektierenden Bezugsfläche sind. Wenn die konstruktive Anforderung eine koaxiale Streuung ist, kann eine Flat-Dome-Konfiguration vorzuziehen sein; sie wird von der eigenen Familie der LED-Flat-Dome-Beleuchtungen abgedeckt.
Typische industrielle Anwendungen
Die koaxiale Beleuchtung ist die Standardwahl für die Inspektion lasergravierter Direktmarkierungen (DPM) auf ebenen Metalloberflächen; für das Lesen genadelter Codes auf Halbleiterbauteilen und bearbeiteten Teilen; für die Qualitätskontrolle polierter Metalloberflächen wie Rasierklingen, chirurgischer Instrumente und Uhrenkomponenten; für die Inspektion verspiegelter Beschichtungen auf optischen Komponenten und reflektierenden Folien; für die Prüfung polierter Merkmale auf Leiterplatten; für die Qualitätskontrolle polierter Glas- und Keramiksubstrate; und für jede Anwendung, bei der die Objektoberfläche im Wesentlichen eben und spiegelnd ist und die interessierenden Merkmale Abweichungen von dieser Ebenheit darstellen. Kundenspezifische Koaxialbaugruppen für diese Anwendungen werden innerhalb des Portfolios der kundenspezifischen LED-Beleuchtungen entwickelt.
Auswahlkriterien und Auslegungsaspekte
Die Abmessungen der koaxialen Beleuchtung müssen das Sichtfeld des Kameraobjektivs mit ausreichendem Rand abdecken, um eine gleichmäßige Intensität über das gesamte Inspektionsfeld sicherzustellen. Der Strahlteiler bringt eine 4-fache Lichtstromeinbuße mit sich (50 Prozent Verlust in jeder Richtung), die durch eine höhere LED-Dichte oder Blitzbetrieb ausgeglichen werden muss.
Der spektrale Gehalt folgt denselben Regeln wie bei jeder gerichteten Beleuchtung. Monochromatische koaxiale Beleuchtungen werden für die kontrastreiche Inspektion mit Schmalbandfiltern bevorzugt, während weiße Versionen für farbkritische Inspektionen eingesetzt werden. Die Wellenlänge lässt sich so wählen, dass der Kontrast zum Objektmaterial optimal wird: rotes Licht auf grünen Oberflächen, blaues Licht auf gelben Oberflächen und so fort.
Entspiegelung von Strahlteilern
Die optische Qualität des Strahlteilers ist für die koaxiale Leistung entscheidend. Strahlteiler geringer Qualität erzeugen Geisterbilder (Mehrfachreflexionen, die Doppelbilder hervorrufen), chromatische Dispersion (unterschiedliche Wellenlängen werden mit unterschiedlichem Wirkungsgrad durchgelassen) und Intensitätsungleichmäßigkeiten (Schwankungen des Teilungsverhältnisses über die aktive Fläche). Koaxiale Beleuchtungen in Industriequalität verwenden entspiegelte Strahlteiler, die diese Artefakte minimieren und die Bildqualität über das gesamte Inspektionsfeld erhalten.
Integration und Grenzen
Koaxiale Beleuchtungen nehmen ein kompaktes Volumen über dem geprüften Objekt ein, was die Integration einfacher macht als bei vollständigen Kuppeln, aber etwas sperriger als bei direkten Frontbeleuchtungen. Die Kamera muss koaxial zur Beleuchtung ausgerichtet werden: unkompliziert, wenn beide auf derselben Tragstruktur montiert sind, aber mit sorgfältiger Justage verbunden, wenn sie in ein mehrachsiges Robotersystem integriert werden.
Die wesentliche optische Einschränkung der koaxialen Beleuchtung ist ihre Empfindlichkeit gegenüber Oberflächenneigung. Bei Prüfobjekten, die nicht exakt senkrecht zur optischen Achse stehen, wird die Spiegelreflexion von der Kamera weggelenkt und das Bild erscheint dunkel, unabhängig davon, ob die Oberfläche tatsächlich fehlerhaft ist. Diese Einschränkung ist der Geometrie inhärent und lässt sich nicht beseitigen; sie wird am besten durch eine sorgfältige Aufspannung des Objekts oder durch die Kombination der koaxialen Beleuchtung mit einer ergänzenden diffusen Quelle beherrscht. Auf stark strukturierten oder matten Oberflächen ist die koaxiale Beleuchtung zudem weniger wirksam, da dort der dominierende Rückanteil diffus statt spiegelnd ist; für solche Prüfobjekte sind Hellfeld- oder Kuppelkonfigurationen vorzuziehen.
Koaxiale LED-Beleuchtungen von RODER Vision
RODER Vision entwickelt und fertigt anwendungsspezifische koaxiale LED-Beleuchtungen mit konstruktiv ausgelegten Strahlteilerbaugruppen für die industrielle Bildverarbeitungsinspektion ebener spiegelnder Oberflächen und von Direktmarkierungen.
- Anwendungsspezifische koaxiale Strahlteilergeometrien — Kundenspezifische LED-Beleuchtungen
- Kompakte diffuse koaxiale Alternative für beengte Einbauräume — LED-Flat-Dome-Beleuchtungen
- Ergänzende Hellfeld-Ringquellen für kombinierte Geometrien — LED-Ringbeleuchtungen
Für den synchronisierten koaxialen Pulsbetrieb an schnellen Inspektionslinien umfasst der RODER-Katalog spezielle LED-Treiber und elektronische Controller, die mit industriellen Bildverarbeitungscontrollern und SPS kompatibel sind.