Lichtstreuung und Lichtqualität

Die richtige Streuungsgeometrie für die industrielle Sichtprüfung wählen

• Die Streuung bestimmt die Weichheit der Schatten, die Unterdrückung von Reflexen und den Oberflächenkontrast auf jedem industriellen Prüfobjekt.
• Stark streuende Lichtquellen (Dom, Flat Dome, SCDI) unterdrücken Glanzreflexe auf polierten oder stark gekrümmten Oberflächen.
• Schwach streuende Lichtquellen bewahren den gerichteten Kontrast und heben dreidimensionale Merkmale wie Kratzer, Dellen und Prägungen hervor.
• Die Oberflächenoptik und der Merkmalstyp bestimmen gemeinsam die Wahl der Streuung – keiner der beiden Parameter reicht allein aus.
• Streuung kostet Photonenfluss: 30 bis 60 Prozent weniger Intensität als eine gerichtete Lichtquelle mit gleicher LED-Anzahl.
• Kreuzpolarisation kann ergänzt werden, wenn selbst maximale Streuung Glanzreflexe auf komplexen Oberflächen nicht unterdrücken kann.

Die Lichtstreuung ist der Parameter, der bestimmt, wie die von einer LED-Quelle emittierten Photonen winkelmäßig verteilt werden, bevor sie das Prüfobjekt erreichen. Eine perfekt kollimierte Quelle beleuchtet das Objekt mit parallelen Strahlen aus einer einzigen Richtung und erzeugt starke Schatten und scharfe Glanzlichter. Eine perfekt diffuse Quelle beleuchtet das Objekt gleichzeitig aus allen Richtungen, beseitigt Schatten und mildert Reflexionen. Die Wahl des richtigen Streuungsgrads ist eine der subtilsten und folgenreichsten Entscheidungen bei der Auslegung eines Bildverarbeitungssystems und steht in direkter Wechselwirkung mit dem optischen Verhalten der Objektoberfläche.

Warum die Streuung in der industriellen Bildaufnahme wichtig ist

Die industrielle Inspektion wird von Oberflächen dominiert, die weder vollkommen matt noch vollkommen spiegelnd sind. Lackierte Metallplatten, Spritzgusskunststoffe, gebürstetes Aluminium, eloxierte Teile, Glasbehälter, beschichtete Elektronik und bedruckte Verpackungen reflektieren Licht auf gemischte Weise – mit einer gerichteten spiegelnden Komponente, die einer diffusen, mit der Oberflächentextur variierenden Komponente überlagert ist. Der Kontrast, den eine Beleuchtung auf einer solchen Oberfläche erzeugt, hängt nicht nur von der Position der Quelle ab, sondern auch von ihrer Winkelausdehnung, also von ihrer Streuung.

Stark gerichtete Quellen erzeugen scharfe Glanzreflexe, die den Sensor lokal sättigen und die interessierenden Merkmale verdecken können. Stark diffuse Quellen erzeugen eine gleichmäßige, reflexfreie Beleuchtung, allerdings um den Preis eines geringeren lokalen Kontrasts bei dreidimensionalen Merkmalen. Der richtige Streuungsgrad liegt zwischen diesen Extremen und hängt sowohl vom Oberflächenmaterial als auch vom Typ des zu erkennenden Merkmals ab.

In diesem Abschnitt behandelte Streuungskonfigurationen

Diffuses Licht

Diffuses Licht bezeichnet jede Flächenbeleuchtung, die vor dem LED-Array ein streuendes optisches Element – typischerweise eine mattierte oder holografische Folie – enthält. Das Ergebnis ist eine weiche, reflexfreie Beleuchtung, die eine gewisse Richtwirkung beibehält und sich für kooperative, nicht stark spiegelnde Oberflächen eignet. Standard-LED-Flächenbeleuchtungen mit mattierten Diffusoren fallen in diese Kategorie.

Dombeleuchtung

Dombeleuchtungen treiben die Streuung auf die Spitze, indem sie das Prüfobjekt mit einer halbkugelförmigen streuenden Fläche umgeben und so Licht aus allen Richtungen der oberen Halbkugel liefern. Die dabei entstehende Beleuchtung „wie an einem bewölkten Tag“ beseitigt Glanzreflexe bei jeder Oberflächenausrichtung und ist der Goldstandard für die Prüfung stark reflektierender oder stark gekrümmter Objekte. Dom-Geometrien werden in der Regel als anwendungsspezifische Einheiten im Rahmen des Programms Kundenspezifische LED-Beleuchtungen entwickelt.

Flat Dome

Flat-Dome-Beleuchtungen liefern eine dem vollständigen Dom gleichwertige Wirkung in einer kompakten, flachen Bauform. Durch die Kombination eines halbdurchlässigen Strahlteilers mit seitlich abstrahlenden LED-Arrays erzeugt der Flat Dome eine diffuse koaxiale Beleuchtung, ideal für beengte Integrationsräume, in denen die vertikale Bauhöhe für einen vollständigen Dom nicht verfügbar ist. Die dedizierte Familie LED-Flat-Dome-Beleuchtungen ist speziell für diese Geometrie ausgelegt.

Quadratische kontinuierliche Diffusbeleuchtung (SCDI)

SCDI überträgt das Streuungsprinzip auf längliche reflektierende Objekte, indem der Prüfbereich von einem streuenden Tunnel mit quadratischem Querschnitt umschlossen wird. Das Ergebnis ist eine gleichmäßige, schattenfreie Beleuchtung über die gesamte Länge der Prüfoberfläche – ideal für zylindrische Flaschen, Metallprofile und längliche reflektierende Verpackungen.

Wie die Streuung mit Oberfläche und Merkmal zusammenwirkt

Der richtige Streuungsgrad wird anhand von zwei Parametern gewählt: dem optischen Verhalten der Oberfläche und dem Typ des zu erkennenden Merkmals.

Bei stark spiegelnden Oberflächen wie poliertem Metall, Glas und spiegelnden Beschichtungen ist maximale Streuung erforderlich, um gesättigte Glanzreflexe zu vermeiden, die den Prüfbereich verdecken würden. Dom- und Flat-Dome-Konfigurationen sind hier die natürliche Wahl. Bei matten Oberflächen wie rohem Aluminium, Papier oder unlackiertem Kunststoff ist eine geringere Streuung akzeptabel und oft vorzuziehen, da gerichtetes Licht Textur und dreidimensionale Merkmale hervorhebt.

Der Typ des zu erkennenden Merkmals bestätigt diese Wahl. Zweidimensionale Merkmale wie Aufdrucke, Codes und Etiketten profitieren von gleichmäßiger diffuser Beleuchtung, die das Oberflächenrelief unterdrückt und den gedruckten Kontrast betont. Dreidimensionale Merkmale wie Kratzer, Dellen, Prägungen und Bearbeitungsdetails profitieren von stärker gerichtetem Licht, das entlang der Merkmalskanten Schatten erzeugt.

Praktische Auslegungsaspekte

Streuung gibt es nicht umsonst. Jedes streuende Element absorbiert einen Teil der LED-Emission und verringert den Photonenfluss, der das Objekt erreicht. Eine stark diffuse Quelle liefert im Arbeitsabstand typischerweise 30 bis 60 Prozent weniger Intensität als eine gleichwertige gerichtete Quelle. Dieser Verlust muss durch eine höhere LED-Dichte, längere Belichtungszeiten oder Blitzbetrieb ausgeglichen werden, was wiederum die Gesamtkosten und die Komplexität des Bildverarbeitungssystems beeinflusst.

Diffuse Quellen beanspruchen außerdem mehr Bauraum als gerichtete Quellen. Ein vollständiger Dom benötigt eine vertikale Bauhöhe, die etwa seinem Durchmesser entspricht, was mit Förderbandstrukturen oder Roboterarmen unvereinbar sein kann. Flat-Dome-Konfigurationen lösen dieses Problem teilweise, allerdings mit einer etwas geringeren Streuungshomogenität.

Der spektrale Gehalt wirkt auf zweierlei Weise mit der Streuung zusammen. Der Diffusor selbst kann leicht wellenlängenselektiv sein und verschiedene LED-Wellenlängen unterschiedlich abschwächen. Diffuses Licht lässt sich zudem an der Kamera schwerer filtern, da es aus allen Winkeln eintrifft und ein für senkrechten Einfall optimierter schmaler Bandpassfilter einen Teil des Signals bei streifenden Winkeln zurückweisen kann. Diese Nebeneffekte sind meist gering, sollten in kritischen Anwendungen jedoch berücksichtigt werden.

Wenn Streuung allein nicht ausreicht

Es gibt Anwendungen, in denen selbst maximale Streuung Oberflächenreflexe nicht unterdrücken kann – typischerweise, wenn das Objekt eine polierte Kugel oder eine komplexe gekrümmte Oberfläche mit mehreren reflektierenden Facetten ist. In solchen Fällen besteht die einzige Lösung darin, maximale Streuung mit Kreuzpolarisation zu kombinieren: Ein linearer Polarisator an der Quelle und ein gekreuzter Analysator am Kameraobjektiv unterdrücken gemeinsam die spiegelnde Komponente und bewahren das diffuse Signal. Die Detailseiten dieses Abschnitts behandeln jede Streuungskonfiguration im Einzelnen, einschließlich Strahlengangsanalyse, erwarteter Leistung auf repräsentativen Oberflächen, Integrationsbeschränkungen und Kombinationen mit Polarisation, Filtern und strukturierter Bildaufnahme.

Diffuse LED-Beleuchtungen von RODER Vision

RODER Vision entwickelt und fertigt LED-Beleuchtungen für das gesamte Spektrum der in diesem Abschnitt beschriebenen Streuungsstrategien, mit Programmen, die diffuse Universal-Panels, kompakte Flat-Dome-Geometrien sowie anwendungsspezifische Tunnel- und Dom-Konfigurationen abdecken.

• Diffuse Panel-Geometrien für Auflicht – LED-Flächenbeleuchtungen
• Kompakte diffuse Koaxialgeometrien – LED-Flat-Dome-Beleuchtungen
• Dom-, Tunnel- und weitere anwendungsspezifische Streuungsgeometrien – Kundenspezifische LED-Beleuchtungen
• Durchlichtgeometrien mit transmittierter Streuung – LED-Durchlichtbeleuchtungen

Für Hochgeschwindigkeits-Prüflinien, die eine synchronisierte gepulste oder geblitzte diffuse Beleuchtung erfordern, umfasst der RODER-Katalog dedizierte LED-Treiber und elektronische Steuerungen sowie Industriekabel und Befestigungssysteme für die direkte Integration mit Bildverarbeitungscontrollern und SPS.