Retroilluminatore LED: una guida pratica all’ispezione delle sagome e alla trasmissione

L’illuminazione a retroilluminazione posiziona la sorgente luminosa dietro l’oggetto da ispezionare e la dirige verso la telecamera. L’oggetto appare come una sagoma scura su uno sfondo luminoso e uniforme. Questa tecnica produce alcune delle immagini con il contrasto più elevato ottenibili nella Visione Artificiale, il che la rende ideale per la Misurazione Dimensionale, il rilevamento dei bordi e l’Ispezione in modalità a trasmissione di materiali trasparenti o semitrasparenti.

A differenza delle tecniche di illuminazione riflessa, in cui la trama, il colore e la riflettanza della superficie influenzano l’immagine, l’imaging a Silhouette con retroilluminazione è in gran parte insensibile alle proprietà superficiali dell’oggetto. Il contorno dell’oggetto è definito dal confine tra lo sfondo chiaro e la sagoma scura dell’oggetto. Questo confine è nitido, ad alto contrasto e ripetibile su diversi lotti e finiture superficiali dello stesso tipo di pezzo.

Come funziona l’illuminazione a retroilluminazione

Un illuminatore a retroilluminazione è composto da una matrice di LED e da un pannello diffusore. I LED generano l’illuminazione, mentre il diffusore distribuisce la luce proveniente dai singoli LED creando una sorgente luminosa uniforme ed estesa. L’oggetto si trova tra il diffusore e la telecamera. La telecamera riprende il diffusore attraverso l’oggetto: vede il diffusore luminoso dove l’oggetto non blocca la luce e una sagoma scura dove l’oggetto è presente.

Il parametro chiave delle prestazioni di una retroilluminazione è l’uniformità della luminanza. L’uniformità descrive quanto sia costante la luminosità su tutta l’area attiva della retroilluminazione. Un’uniformità del 95% significa che il punto più scuro sulla superficie attiva è luminoso almeno al 95% rispetto al punto più luminoso. Un’elevata uniformità è fondamentale per un rilevamento accurato dei bordi, perché uno sfondo non uniforme crea gradienti di luminosità apparenti che spostano la posizione percepita del bordo.

Modalità Silhouette vs. Modalità Trasmissione

Gli illuminatori a retroilluminazione supportano due modalità di ispezione distinte: la modalità silhouette e la modalità a trasmissione.

Modalità Silhouette: misurazione dimensionale e rilevamento dei bordi

Nella modalità “silhouette”, l’oggetto è opaco e l’ispezione si basa sul contorno dell’oggetto sullo sfondo luminoso. La telecamera rileva la posizione dei bordi della silhouette per calcolare le dimensioni dell’oggetto. Questo serve per il controllo go/no-go di pezzi lavorati, la misurazione del diametro di componenti cilindrici, la misurazione del profilo di pezzi stampati o modellati e il rilevamento di caratteristiche mancanti come fori o linguette.

La modalità Silhouette è estremamente precisa perché il contrasto dei bordi è molto elevato. Gli algoritmi di rilevamento dei bordi a livello di sub-pixel riescono a individuare la posizione dei bordi con una precisione superiore a 0,1 pixel in condizioni di buona illuminazione. Per una fotocamera con una dimensione dei pixel pari a 10 micrometri sul piano dell’oggetto, ciò significa una ripetibilità della Misurazione Dimensionale superiore a 1 micrometro.

Modalità di trasmissione: materiali trasparenti e semitrasparenti

In modalità di trasmissione, l’oggetto lascia passare parte della luce di retroilluminazione. La telecamera rileva le variazioni spaziali nell’intensità della luce trasmessa, che vengono utilizzate per individuare caratteristiche interne, inclusioni, contaminazioni o difetti strutturali che influenzano la trasmissione. Questo sistema è utile per ispezionare lastre di vetro, pellicole di plastica, compresse farmaceutiche e wafer semiconduttori.

L’ispezione in modalità di trasmissione richiede una retroilluminazione con un’uniformità molto elevata, poiché qualsiasi non uniformità nell’illuminazione di fondo viene interpretata come una caratteristica dell’oggetto. Anche la lunghezza d’onda dell’illuminazione può essere importante. Alcuni difetti nei materiali trasparenti sono visibili solo a determinate lunghezze d’onda. Le retroilluminazioni della serie BL di Roder Vision sono disponibili in diverse lunghezze d’onda, tra cui UV, blu, verde, rosso e Vicino Infrarosso, per supportare l’ispezione in trasmissione specifica per ciascuna lunghezza d’onda.

Tipi di diffusori e il loro effetto sull’uniformità

Il diffusore è l’elemento ottico che determina l’uniformità dell’emissione della retroilluminazione. Nelle retroilluminazioni per la Visione Artificiale si utilizzano tre tipi principali di diffusori.

Diffusori Opal

I diffusori opalini sono pannelli bianchi traslucidi che diffondono la luce tramite diffusione volumetrica. Offrono un’illuminazione morbida e uniforme, ma riducono la luminanza totale perché gran parte della luce si disperde all’indietro verso la sorgente LED anziché in avanti verso la fotocamera. I diffusori opalini sono convenienti e garantiscono un’eccellente uniformità, ma con una luminosità complessiva inferiore rispetto ai diffusori diretti o a quelli di tipo ingegnerizzato.

Diffusori progettati su misura

I diffusori ingegnerizzati utilizzano superfici micro-ottiche strutturate per controllare la distribuzione angolare della luce emessa in modo più preciso rispetto ai diffusori opalini. Riescono a garantire una maggiore uniformità a livelli di luminanza più elevati rispetto ai modelli opalini, poiché convogliano una quota maggiore della luce disponibile in direzione frontale. I diffusori ingegnerizzati vengono utilizzati nelle retroilluminazioni della serie BL ad alta uniformità di Roder Vision, dove sia la luminosità che l’uniformità sono fondamentali.

Progetti di Illuminazione Diretta

Alcuni modelli di retroilluminazione utilizzano una matrice di LED ad alta densità senza un diffusore separato, affidandosi invece alla distanza ridotta tra gli emettitori e a una breve distanza di Lavoro per ottenere un’uniformità accettabile. Questi modelli raggiungono picchi di luminanza più elevati rispetto a quelli con diffusore, ma di solito presentano un’uniformità inferiore. Sono adatti nei casi in cui la massima luminosità è il requisito principale e l’uniformità è secondaria.

Specifiche di uniformità: cosa significano i numeri

L’uniformità della retroilluminazione viene indicata in percentuale. I valori più comuni sono il 90%, il 95% e il 98%. Questi valori descrivono il rapporto tra la luminanza minima e quella massima misurate sull’area attiva della retroilluminazione, espresso in percentuale.

Nelle applicazioni di misurazione dimensionale, un’uniformità inferiore al 90% rappresenta generalmente un problema. La posizione apparente del bordo cambia al variare della luminosità dello sfondo. Una variazione dell’uniformità del 10% può causare errori di posizione del bordo pari a diversi pixel in una transizione da chiaro a scuro, a seconda dell’algoritmo di rilevamento dei bordi utilizzato.

Per l’ispezione in modalità a trasmissione dei materiali trasparenti, di solito è richiesta un’uniformità pari o superiore al 95%. Le caratteristiche che riducono la trasmissione solo di una piccola percentuale devono rimanere rilevabili su uno sfondo uniforme. Se lo sfondo stesso varia del 5% o più, le piccole anomalie di trasmissione diventano difficili da distinguere dalla non uniformità dello sfondo.

Come scegliere le dimensioni della Retroilluminazione per la tua applicazione

Area attiva e Campo di Vista

L’area attiva della Retroilluminazione deve essere almeno pari al Campo di Vista della telecamera sul piano dell’oggetto. Se una qualsiasi parte del Campo di Vista della telecamera si trova al di fuori dell’area attiva della Retroilluminazione, quella zona dell’immagine risulterà scura, rendendo impossibile rilevare i bordi degli oggetti in quel punto.

In pratica, l’area attiva della retroilluminazione dovrebbe essere più ampia del Campo di Vista di un margine tale da coprire le tolleranze di allineamento ottico e la zona di penombra ai bordi della retroilluminazione, dove l’uniformità potrebbe essere inferiore. Di solito si usa un margine dal 10% al 20% su ciascun lato.

Distanza di Lavoro e ingrandimento

Di solito l’oggetto viene posizionato vicino alla superficie della Retroilluminazione per ridurre gli effetti di penombra ai bordi dell’oggetto. La penombra si verifica perché la Retroilluminazione è una sorgente estesa. Le diverse parti della sorgente illuminano l’oggetto da angolazioni leggermente diverse, quindi ai bordi l’oggetto il passaggio dalla zona illuminata a quella in ombra è graduale anziché netto. Questa transizione graduale – la penombra – riduce la nitidezza dei bordi e la precisione della misurazione.

Posizionando l’oggetto il più vicino possibile alla superficie della Retroilluminazione, si riduce al minimo l’ampiezza della penombra. Per applicazioni di misurazione ad alta precisione, la distanza tra l’oggetto e la Retroilluminazione dovrebbe essere inferiore a 10 mm, quando possibile.

Retroilluminazioni a lunghezze d’onda multiple per l’ispezione in trasmissione

Alcune applicazioni di ispezione a trasmissione traggono vantaggio dall’illuminazione a specifiche lunghezze d’onda piuttosto che dalla luce bianca. I difetti del vetro possono risaltare meglio alle lunghezze d’onda UV o blu. Le inclusioni nelle pellicole di plastica possono presentare un contrasto migliore alle lunghezze d’onda del Vicino Infrarosso, dove la pellicola è parzialmente trasparente. L’ispezione delle compresse farmaceutiche può avvalersi di lunghezze d’onda specifiche, laddove il principio attivo presenti caratteristiche di assorbimento distintive.

Le retroilluminazioni della serie BL di Roder Vision sono disponibili in diverse lunghezze d’onda singole e anche in versione bianca. Questo permette al tecnico di scegliere la lunghezza d’onda che esalta al massimo il contrasto del difetto da rilevare nell’immagine in trasmissione. Insieme alla retroilluminazione specifica per una determinata lunghezza d’onda, bisogna specificare una telecamera con la giusta sensibilità spettrale: una sensibilità al blu potenziata per l’illuminazione UV o blu, oppure un sensore sensibile al NIR per l’illuminazione NIR.

Integrazione con i sistemi di trasporto

Gli illuminatori per l’ispezione in linea sui sistemi a nastro trasportatore vengono solitamente montati sotto il nastro stesso. Il nastro deve essere trasparente oppure presentare una sezione trasparente allineata con la zona di ispezione. L’oggetto passa sopra la sezione trasparente, la retroilluminazione lo illumina dal basso e la telecamera lo riprende dall’alto.

In alternativa, la retroilluminazione può essere montata sopra il nastro trasportatore con la telecamera posizionata sotto, per quelle applicazioni in cui la superficie da ispezionare è il lato inferiore dell’oggetto. In entrambe le configurazioni, la retroilluminazione deve essere attivata in sincronia con l’esposizione della telecamera per mantenere un’illuminazione uniforme in tutti i fotogrammi. Le retroilluminazioni della serie BL di Roder Vision supportano ingressi di trigger digitali per il funzionamento sincronizzato dello strobo.

Prodotti e tecnologie

Famiglie di illuminatori a retroilluminazione Roder Vision serie BL

La serie BL offre un’ampia gamma di dimensioni, livelli di uniformità e opzioni di Lunghezza d’Onda per l’ispezione a silhouette e a trasmissione. Tutti i prodotti sono realizzati in Italia secondo gli standard ISO 9001 e sottoposti a test di burn-in della durata di 48 ore.

Domande frequenti