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Ringbeleuchtung mit flachem Winkel

Industrielle Bildverarbeitungsstation mit LED-Ringbeleuchtung mit flachem Winkel, die eine 360-Grad-Dunkelfeldbeleuchtung auf einem lasermarkierten Metallbauteil erzeugt

360-Grad-Dunkelfeld für die orientierungsunabhängige Erkennung von Mikromerkmalen

  • Die kreisförmige Geometrie mit streifendem Einfall von 5–20° liefert ein isotropes Dunkelfeld rund um die optische Achse.
  • Oberflächenmerkmale erscheinen hell auf dunklem Hintergrund, unabhängig von ihrer Ausrichtung auf dem Prüfobjekt.
  • Ideal für Laser-DPM, genadelte Codes, Prägungen, Mikrofehler auf Leiterplatten und die Inspektion von Präzisionsbauteilen.
  • Der Arbeitsabstand von 10–30 mm ist geometrisch an Ringdurchmesser und streifenden Winkel gekoppelt.
  • Der Innendurchmesser muss das Kameraobjektiv samt Filter oder Polarisator freihalten; der Außendurchmesser bestimmt das gleichmäßig ausgeleuchtete Feld.
  • Inspektionsfelder über ~100 mm erfordern alternative Dunkelfeld-Balkenkonfigurationen oder großformatige Dunkelfeldbaugruppen.

Ringbeleuchtungen mit flachem Winkel verbinden die Rotationssymmetrie der Ringgeometrie mit dem streifenden Einfall der Dunkelfeldkonfiguration und erzeugen so eine 360-Grad-Dunkelfeldbeleuchtung aus einer kompakten Vorrichtung, die nahe am geprüften Objekt montiert wird. Das Ergebnis ist ein wirkungsvolles Inspektionswerkzeug für Oberflächenfehler, geprägte Merkmale und lasergravierte Markierungen auf kleinen bis mittleren Sichtfeldern, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass der Kontrast unabhängig von der Ausrichtung der Merkmale zur Kamera ist.

Funktionsprinzip von Ringbeleuchtungen mit flachem Winkel

Eine Ringbeleuchtung mit flachem Winkel ist ein kreisförmiges LED-Array, dessen Emitter so geneigt sind, dass sie ihr Licht in einem sehr flachen Winkel zur Ringmitte abstrahlen. Typische streifende Winkel liegen zwischen 5 und 20 Grad zur Objektebene, also tief im Dunkelfeldbereich. Der Ring wird konzentrisch zur optischen Achse der Kamera und in einem Arbeitsabstand montiert, der dem Ringdurchmesser vergleichbar ist, sodass das streifende Licht auf das Inspektionsfeld direkt unterhalb der Kamera konvergiert. Die LED-Ringbeleuchtungen mit flachem Winkel der DC2-Serie von RODER setzen diese Geometrie in mehreren Innendurchmesser-Varianten um.

Der geometrische Effekt entspricht einer Dunkelfeldkonfiguration, die kontinuierlich um die optische Achse herum wiederholt wird. Jeder Punkt des Prüfobjekts erhält gleichzeitig streifendes Licht aus allen azimutalen Richtungen, während die Spiegelreflexion dieses streifenden Lichts nach außen, von der Kamera weg, abgelenkt wird. Das Bild zeigt einen dunklen Hintergrund, auf dem Oberflächenmerkmale hell erscheinen, doch anders als bei einem gerichteten Dunkelfeld ist der Kontrast unabhängig von der Ausrichtung jedes Merkmals gleichmäßig.

Geometrische Randbedingungen flachwinkliger Ringe

Der Arbeitsabstand eines flachwinkligen Rings ist durch den geometrischen Zusammenhang zwischen Ringdurchmesser und streifendem Winkel festgelegt: ein kleinerer Durchmesser oder ein steilerer Winkel verringert den Arbeitsabstand, ein größerer Durchmesser oder ein flacherer Winkel vergrößert ihn. Die meisten Ringbeleuchtungen mit flachem Winkel sind für Arbeitsabstände von 10 bis 30 Millimetern ausgelegt, also kürzer als bei Standard-Ringbeleuchtungen, was die Objektivwahl und die Objekthandhabung einschränkt.

Typische industrielle Anwendungen

Ringbeleuchtungen mit flachem Winkel werden häufig eingesetzt für die Inspektion lasergravierter Direktmarkierungen auf kleinen Metallbauteilen; für das Lesen genadelter Codes auf bearbeiteten Teilen und Halbleitergehäusen; für die Qualitätskontrolle geprägter Merkmale auf Kunststoff- und Metallverpackungen; für die Erkennung von Kratzern, Abrieb und Verunreinigungen auf Leiterplattenoberflächen; für die Inspektion mikromechanischer Bauteile auf Grate und Bearbeitungsfehler; für die Qualitätskontrolle von Schmuck, Uhrenkomponenten und optischen Präzisionsflächen; und für jede Anwendung, die eine 360-Grad-Dunkelfeldbeleuchtung kleiner Teile an einer festen Inspektionsstation erfordert.

Auswahlkriterien und Auslegungsaspekte

Der streifende Winkel der LEDs ist der kritische Parameter. Steilere Winkel (15 bis 20 Grad) bieten eine bessere Toleranz gegenüber Höhenschwankungen des Prüfobjekts und eine vielseitigere Oberflächenhervorhebung, jedoch einen leicht verringerten Kontrast bei den kleinsten Merkmalen. Flachere Winkel (5 bis 10 Grad) erzeugen maximalen Kontrast auf Mikromerkmalen, verlangen aber eine präzise Objektpositionierung, um eine gleichmäßige Ausleuchtung über das gesamte Sichtfeld zu erhalten.

Innen- und Außendurchmesser des Rings bestimmen den Arbeitsabstand und die Größe des gleichmäßig ausgeleuchteten Felds. Der Innendurchmesser muss das Kameraobjektiv einschließlich etwaiger Filter oder Polarisatoren freihalten. Der Außendurchmesser legt zusammen mit dem streifenden Winkel die Abmessungen des Inspektionsfelds im Arbeitsabstand fest. Der vollständige Geometriekatalog ist in der Familie der LED-Ringbeleuchtungen verfügbar.

Spektrale und kombinierte Konfigurationen

Monochromatische flachwinklige Ringe, typischerweise in Rot oder im nahen Infrarot, sind die Standardwahl, wenn an der Kamera eine Schmalbandfilterung zur Umgebungslichtunterdrückung eingesetzt wird. Weiße Versionen sind für die Allzweck-Bildaufnahme verfügbar, bei der die Farbinformation erhalten bleiben muss. Kombinierte Ringbeleuchtungen, die LEDs mit Standardwinkel und mit flachem Winkel im selben Gehäuse vereinen, erlauben es dem Integrator, an derselben Inspektionsstation ohne Hardwarewechsel zwischen Hellfeld und Dunkelfeld umzuschalten – ein wichtiger Vorteil für adaptive Inspektionssysteme.

Integration und Grenzen

Ringbeleuchtungen mit flachem Winkel werden mit minimalem mechanischem Aufwand direkt über dem Inspektionsfeld montiert. Der kurze Arbeitsabstand ist die wesentliche Einschränkung: Kamera und Objektiv müssen nahe am Prüfobjekt positioniert werden, und die maximale Objekthöhe ist begrenzt. Die Prüfobjekte müssen eben oder nur schwach gekrümmt sein, damit die Ausleuchtung gleichmäßig bleibt; deutlich gekrümmte oder nicht ebene Oberflächen erzeugen eine ungleichmäßige Dunkelfeldantwort, die die interessierenden Merkmale verdecken kann.

Ringbeleuchtungen mit flachem Winkel sind auf großen Inspektionsfeldern nicht wirksam, da die geometrische Forderung nach streifender Beleuchtung aus allen Richtungen dort undurchführbar wird. Für Inspektionsfelder über etwa 100 Millimeter sollten alternative Konfigurationen geprüft werden, etwa mehrere lineare Dunkelfeldbalken oder eigens ausgelegte Dunkelfeldbeleuchtungen. Innerhalb ihres Größenbereichs stellen flachwinklige Ringbeleuchtungen jedoch die direkteste und wirksamste Umsetzung der 360-Grad-Dunkelfeldbeleuchtung dar, die in der industriellen Bildverarbeitung verfügbar ist.

LED-Ringbeleuchtungen mit flachem Winkel von RODER Vision

RODER Vision fertigt eigene LED-Ringbeleuchtungen mit flachem Winkel und konstruktiv ausgelegten Geometrien für streifenden Einfall für industrielle Bildverarbeitungsanwendungen, verfügbar in weißer Standard-, monochromatischer und kombinierter Hellfeld-/Dunkelfeld-Ausführung.

Für den synchronisierten Pulsbetrieb flachwinkliger Ringe an schnellen Inspektionslinien umfasst der RODER-Katalog spezielle LED-Treiber und elektronische Controller, die mit industriellen Bildverarbeitungscontrollern und SPS kompatibel sind.