Kollimierte Durchlichtbeleuchtung mit parallelen Strahlen für die subpixelgenaue Maßmessung
- Kollimierte parallele Strahlen treten aus einer begrenzten Apertur über Fresnel- oder mehrelementige Kollimationsoptiken aus.
- Subpixelgenaue Kantendefinition unabhängig von der Objektposition innerhalb der Auslegungstiefe — ideal für die Präzisionsmesstechnik.
- Ideal für Stanzteile, bearbeitete Komponenten, Zahnradprofile, die Messtechnik an Pharmabehältern mit Mikrometergenauigkeit.
- Kombination mit einem telezentrischen Objektiv für vollständige geometrische Invarianz gegenüber der Position im Schärfentiefenbereich.
- Telezentrischer Winkel unter 1° für maximale Kantenschärfe; begrenzt die Auslegungstiefe proportional.
- 2- bis 3-mal größere Bautiefe als eine gleichwertige diffuse Durchlichtbeleuchtung, bedingt durch die Geometrie der Kollimationsoptik.
Die telezentrische Durchlichtbeleuchtung liefert kollimierte parallele Strahlen aus einer begrenzten Austrittsapertur und erzeugt damit die scharfen Kanten mit Subpixel-Definition, die hochpräzise Maßmessanwendungen erfordern. Indem Licht nur in Richtungen parallel zur optischen Achse des Abbildungssystems emittiert wird, eliminiert eine telezentrische Durchlichtbeleuchtung die Kantenüberstrahlung (Edge Blooming), die die Genauigkeit diffuser Durchlichtbeleuchtungen begrenzt, und ermöglicht eine Messwiederholbarkeit im Mikrometerbereich.
Funktionsprinzip telezentrischer Durchlichtbeleuchtungen
Eine telezentrische Durchlichtbeleuchtung ist um eine LED-Quelle aufgebaut, die in der Brennebene einer Kollimationsoptik positioniert ist – typischerweise eine Fresnel-Linse oder ein mehrelementiges refraktives System. Die Kollimationsoptik wandelt die divergente LED-Emission in ein Bündel paralleler Strahlen um, die die Beleuchtung in einem schmalen Winkelbereich verlassen, typischerweise wenige Grad zur optischen Achse. Das Ergebnis ist ein Strahl, der sich geometrisch wie das Licht einer unendlich weit entfernten Punktquelle verhält. Diffuse Durchlichtalternativen sind standardmäßig in der Familie der LED-Durchlichtbeleuchtungen verfügbar, während telezentrische Varianten auf Anfrage im Rahmen des Portfolios kundenspezifischer LED-Beleuchtungen entwickelt werden.
Wird das Prüfobjekt in diesen kollimierten Strahl gebracht, können nur Strahlen parallel zur optischen Achse am Objekt vorbei zur Kamera gelangen. Von der optischen Achse abweichende Strahlen verfehlen die Kameraapertur und werden nicht gesehen. Die vom Objekt erzeugte geometrische Abschattung ist daher unabhängig von der Position des Objekts im Sichtfeld, und die Objektkanten erscheinen mit Subpixel-Schärfe, unabhängig von der Tiefe, in der sich das Objekt befindet.
Der geometrische Vorteil der Kollimation
Der Hauptvorteil der kollimierten Durchlichtbeleuchtung ist die Beseitigung der Kantenüberstrahlung, die durch am Objekt vorbeistreifende Lichtstrahlen verursacht wird. Bei einer standardmäßigen diffusen Durchlichtbeleuchtung trifft das Licht aus einem weiten Winkelbereich auf das Objekt, und Strahlen, die nicht parallel zur optischen Achse verlaufen, können an den Kanten kleiner Merkmale vorbei zur Kamera gelangen und eine leichte Unschärfe der Kanten erzeugen. Bei einer telezentrischen Durchlichtbeleuchtung sind nur parallele Strahlen vorhanden, und die Kanten werden mit maximaler Schärfe wiedergegeben.
Typische industrielle Anwendungen
Telezentrische Durchlichtbeleuchtungen sind unverzichtbar für die hochpräzise Maßmessung von gestanzten Metallteilen, bearbeiteten Komponenten und gedrehten Wellen, bei denen eine Genauigkeit im Mikrometerbereich gefordert ist; für die Qualitätskontrolle von Bohrungsdurchmessern, Nutbreiten und Zahnprofilen in Zahnrädern und Getrieben; für die Prüfung kleiner bearbeiteter Teile wie Verbindungselemente, Stifte und Steckverbinder; für die Messung von Halsdurchmessern an Pharmabehältern und der Tablettengeometrie; für die Verifizierung lasergeschnittener Profile in Blech; für die Maßprüfung von Kunststoff-Spritzgussteilen; und für jede Anwendung, bei der die Messgenauigkeit ein Zehntel Pixel im Kamerabild erreicht oder übertrifft.
Auswahlkriterien und Konstruktionsüberlegungen
Die aktive Emissionsfläche der telezentrischen Durchlichtbeleuchtung muss das gesamte Sichtfeld der Kamera mit ausreichendem Rand abdecken, um die Kantenschärfe über das gesamte Bild zu erhalten. Im Gegensatz zu diffusen Durchlichtbeleuchtungen, bei denen die Kantenschärfe über das gesamte Feld abnimmt, behalten telezentrische Durchlichtbeleuchtungen eine gleichbleibende Schärfe, solange sich das Objekt innerhalb des kollimierten Strahls befindet.
Der telezentrische Winkel (die maximale Abweichung von parallelen Strahlen) ist die entscheidende Spezifikation. Ein kleinerer telezentrischer Winkel (typischerweise unter einem Grad) bietet eine bessere Kantenschärfe, erfordert jedoch eine aufwendigere Kollimationsoptik und begrenzt den Schärfentiefenbereich, in dem die Näherung paralleler Strahlen gilt.
Die Kombination mit einem telezentrischen Objektiv an der Kamera vervollständigt den Präzisionsmessaufbau. Ein telezentrisches Objektiv akzeptiert nur Strahlen parallel zu seiner optischen Achse, wodurch die Winkelakzeptanz an die Winkelemission der Beleuchtung angepasst wird. Das resultierende System ist unabhängig von der Position des Objekts im Schärfentiefenbereich und bietet die für wiederholbare Messungen erforderliche geometrische Invarianz.
Spektrale und ansteuerungstechnische Überlegungen
Für Messanwendungen werden monochromatische telezentrische Durchlichtbeleuchtungen bevorzugt, da sie die chromatische Aberration der Kollimationsoptik und des Kameraobjektivs minimieren. Rote oder grüne Wellenlängen bieten die beste Kombination aus LED-Effizienz, Sensorempfindlichkeit und Objektivkorrektur. Für jede Prüfung bewegter Objekte wird der Blitzbetrieb empfohlen, um die Bewegung innerhalb des Belichtungsfensters einzufrieren.
Integration und Grenzen
Telezentrische Durchlichtbeleuchtungen sind voluminöser als diffuse Durchlichtbeleuchtungen gleicher aktiver Fläche, da die Kollimationsoptik im Brennweitenabstand zur LED-Quelle angeordnet werden muss. Der mechanische Bauraum ist typischerweise zwei- bis dreimal tiefer als bei einer diffusen Durchlichtbeleuchtung gleicher Emissionsfläche, was die Integration in beengten Prüfzellen einschränken kann.
Die wesentliche optische Einschränkung ist die begrenzte Tiefe, in der die Näherung paralleler Strahlen gilt. Außerhalb der Auslegungstiefe divergieren die Strahlen allmählich und die Kantenschärfe nimmt ab. Die Auslegungstiefe wird typischerweise vom Hersteller spezifiziert und reicht von wenigen Millimetern bei kompakten Hochpräzisionsbeleuchtungen bis zu mehreren hundert Millimetern bei großformatigen telezentrischen Systemen. Bei Objekten, die über die Auslegungstiefe hinausragen, wird die Kantenschärfe positionsabhängig und kann die Messgenauigkeit beeinträchtigen.
Die andere Einschränkung sind die Kosten. Telezentrische Durchlichtbeleuchtungen sind deutlich teurer als diffuse Versionen gleicher Größe, was die Präzision der Kollimationsoptik widerspiegelt. Die Wahl einer telezentrischen Durchlichtbeleuchtung ist daher vor allem durch Präzisionsmessanforderungen gerechtfertigt, die einfachere diffuse Durchlichtbeleuchtungen nicht erfüllen können.
Telezentrische Durchlichtbeleuchtungen von RODER Vision
RODER Vision entwickelt anwendungsspezifische telezentrische LED-Durchlichtbaugruppen mit kalibrierter Kollimationsoptik für die industrielle Bildverarbeitungsprüfung, die eine subpixelgenaue Maßmessung erfordert.
- Anwendungsspezifische telezentrische Durchlichtbaugruppen und Kollimationsoptiken — Kundenspezifische LED-Beleuchtungen
- Standardportfolio diffuser Durchlichtbeleuchtungen für nicht telezentrische Durchlichtanwendungen — LED-Durchlichtbeleuchtungen
Der Blitzbetrieb der telezentrischen Durchlichtbeleuchtung bei bewegten Prüfobjekten erfordert eine präzise Kamerasynchronisation — der RODER-Katalog umfasst dedizierte LED-Treiber und elektronische Controller, die mit industriellen Bildverarbeitungssteuerungen und SPS kompatibel sind.