Dombeleuchtung

Halbkugelförmige Beleuchtung wie bei bedecktem Himmel für polierte und gekrümmte Oberflächen

• Der halbkugelförmige Diffusor umgibt das Prüfobjekt: Das Licht trifft aus jeder Richtung der oberen Halbkugel ein.
• Der Effekt des bedeckten Himmels unterdrückt Spiegelreflexe unabhängig von der Ausrichtung der Oberfläche.
• Die Kamera blickt durch eine kleine Öffnung im Scheitel (10 bis 20 Prozent des Kuppeldurchmessers).
• Der Kuppeldurchmesser sollte das 3- bis 4-Fache der größten Objektabmessung betragen, damit die vollständige halbkugelförmige Abdeckung erhalten bleibt.
• Vertikaler Freiraum etwa in Höhe des Kuppeldurchmessers – oft unvereinbar mit flach bauenden Inspektionszellen.
• RGB-umschaltbare und Mehrwellenlängen-Varianten ermöglichen die Steuerung des spektralen Kontrasts zur Laufzeit.

Kuppelbeleuchtungen sind die wirksamste LED-Beleuchtungsgeometrie für die Inspektion stark reflektierender, gekrümmter oder spiegelnder Oberflächen. Indem die Kuppel das geprüfte Objekt mit einer halbkugelförmigen Streufläche umgibt, erzeugt sie Licht, das aus jeder Richtung der oberen Halbkugel eintrifft, und damit den sogenannten Effekt des bedeckten Himmels, der Spiegelreflexe und Schatten unabhängig von der Ausrichtung der Oberfläche beseitigt. Die Kuppelbeleuchtung ist der Maßstab für Anwendungen, bei denen die Objektgeometrie sonst unkontrollierbare Reflexe erzeugen würde.

Funktionsprinzip von Kuppelbeleuchtungen

Eine Kuppelbeleuchtung besteht aus einer halbkugelförmigen Schale, deren am unteren Rand montierte LEDs ihr Licht nach oben und nach innen auf die Innenfläche der Kuppel richten. Die Innenfläche ist mit einer stark reflektierenden, streuenden Farbe oder einem entsprechenden Material beschichtet, die die LED-Emission über die gesamte Halbkugel verteilt. Das gestreute Licht fällt anschließend auf das unter der Kuppel platzierte Prüfobjekt und erreicht jeden Punkt des Objekts aus allen Richtungen der oberen Halbkugel.

Die Kamera beobachtet das Objekt durch eine kleine Öffnung im Scheitel der Kuppel. Da jeder Punkt des Objekts Licht aus allen Richtungen erhält, hängt die scheinbare Helligkeit eines Punktes nur vom örtlichen diffusen Reflexionsgrad ab, nicht von der örtlichen Flächennormalen. Spiegelreflexe werden unterdrückt, weil der Spiegelkegel bei jeder Ausrichtung der Oberfläche stets irgendwo in der Halbkugel eine Lichtquelle findet und sich der Kontrast zwischen spiegelndem und diffusem Anteil ausmittelt.

Optische Geometrie und die kritische Öffnung

Die Öffnung, durch die die Kamera das Objekt beobachtet, ist ein kritisches optisches Element der Kuppel. Eine kleine Öffnung erhält die Symmetrie der Beleuchtung und minimiert Schatten im zentralen Bereich, begrenzt jedoch das Sichtfeld. Eine große Öffnung vergrößert das Sichtfeld, führt aber zu einer dunkleren Zone in der Bildmitte, die auf stark reflektierenden Oberflächen als leichte Abdunklung direkt unter der Kamera sichtbar wird. Der optimale Öffnungsdurchmesser beträgt bei allgemeinen Inspektionsanwendungen typischerweise 10 bis 20 Prozent des Kuppeldurchmessers.

Typische industrielle Anwendungen

Kuppelbeleuchtungen sind unverzichtbar für die Inspektion polierter Metallteile mit komplexer dreidimensionaler Geometrie; für die Qualitätskontrolle von Behältern aus Glas und reflektierendem Kunststoff; für das Lesen von Codes und OCR auf gekrümmten oder glänzenden Oberflächen; für die Inspektion von Schmuck, Uhrenkomponenten und Präzisionsmechanik; für die Prüfung von Lötstellen und reflektierenden Elektronikbauteilen; für die Qualitätskontrolle beschichteter und eloxierter Metalloberflächen; und für jede Anwendung, bei der die zu prüfende Oberfläche stark spiegelnd oder stark gekrümmt ist und eine gleichmäßige, schattenfreie Abbildung erforderlich ist. Kuppelgeometrien werden in der Regel als anwendungsspezifische Einheiten innerhalb des Portfolios der kundenspezifischen LED-Beleuchtungen entwickelt.

Auswahlkriterien und Auslegungsaspekte

Der Durchmesser der Kuppel ist im Hinblick auf das größte geprüfte Objekt zu wählen. Eine brauchbare Faustregel besagt, dass der Kuppeldurchmesser mindestens das Drei- bis Vierfache der größten Objektabmessung betragen sollte, damit jeder Punkt des Objekts einen erheblichen Teil der vollständigen Halbkugel sieht. Kleinere Kuppeln verlieren ihren Charakter des bedeckten Himmels und lassen an den Rändern des Sichtfelds wieder Spiegelreflexe entstehen.

Der Arbeitsabstand zwischen Kuppelöffnung und Prüfobjekt ergibt sich aus der Geometrie der Kuppel und ist in der Regel bereits in der Auslegung festgelegt. Das Kameraobjektiv muss so gewählt werden, dass es auf diesen Arbeitsabstand fokussiert und das erforderliche Sichtfeld durch die Öffnung liefert.

Spektrale Aspekte und umschaltbare Kuppeln

Die meisten Kuppeln werden in Weiß angeboten, für Anwendungen mit spektraler Selektivität sind jedoch monochromatische Ausführungen in Rot, Grün, Blau oder im nahen Infrarot verfügbar. RGB-umschaltbare oder Mehrwellenlängen-Kuppeln erlauben die Wahl der Inspektionswellenlänge zur Laufzeit und ermöglichen so eine adaptive Kontraststeuerung auf Produktionslinien mit unterschiedlichen Teiletypen.

Integration und Grenzen

Die wesentliche mechanische Einschränkung von Kuppelbeleuchtungen ist ihre Baugröße. Eine für ein 100-mm-Teil geeignete Kuppel erfordert etwa 300 bis 400 mm vertikalen Freiraum, was mit Förderbandstrukturen und robotergestützten Handhabungssystemen unvereinbar sein kann. Kuppeln beanspruchen zudem eine erhebliche Fläche über der Inspektionsstation, die bei der Zellenplanung zu berücksichtigen ist.

Die wesentliche optische Einschränkung ist die kleine dunkle Zone in der Mitte des Sichtfelds, verursacht durch die Kameraöffnung. Auf ebenen, stark spiegelnden Prüfobjekten kann diese Zone als kreisförmiger Schatten in der Bildmitte sichtbar werden. Dafür gibt es mehrere Lösungen: das Objekt leicht neigen, einen größeren Kuppeldurchmesser wählen, um die relative Größe der Öffnung zu verringern, oder auf eine Flat-Dome-Konfiguration wechseln, die dieses Problem zum Preis leicht abweichender optischer Eigenschaften löst. Die eigene Seite zur Flat-Dome-Beleuchtung behandelt diesen Kompromiss im Detail.

LED-Kuppelbeleuchtungen von RODER Vision

RODER Vision realisiert Kuppelbeleuchtung und gleichwertige Lösungen über eigene Produktfamilien, ausgelegt für die industrielle Inspektion stark reflektierender und gekrümmter Prüfobjekte. Jede Konfiguration wird auf das erforderliche Sichtfeld, den Arbeitsabstand und den Einbauraum abgestimmt.

• Vollständig halbkugelförmige Kuppelgeometrien für glänzende und gekrümmte Prüfobjekte — Kundenspezifische LED-Beleuchtungen
• Kuppelgleichwertige Streuung in flacher, kompakter Bauform — LED-Flat-Dome-Beleuchtungen
• Koaxiale ringförmige Streuung als Alternative für kleine reflektierende Felder — LED-Ringbeleuchtungen

Für RGB-umschaltbare und Mehrwellenlängen-Kuppelvarianten kann das RODER-Engineering-Team anwendungsspezifische Kuppeleinheiten zusammen mit den erforderlichen LED-Treibern und elektronischen Controllern für die direkte Integration mit Bildverarbeitungscontrollern und SPS konfigurieren.