Illuminazione in Campo Scuro: individua i difetti superficiali nascosti sotto l’illuminazione standard

Molti difetti superficiali sono semplicemente invisibili con l’illuminazione frontale standard o l’Illuminazione Diffusa. Graffi, microfessure, segni di incisione, variazioni di rugosità superficiale e particelle fini possono non produrre alcun contrasto rilevabile se illuminati dall’alto. L’illuminazione in Campo Scuro supera questo ostacolo modificando la geometria della sorgente luminosa anziché la sua intensità o Lunghezza d’Onda.

L’illuminazione in campo oscuro è una tecnica di illuminazione diretta basata sull’incidenza radente. La sorgente luminosa si trova a un angolo molto basso rispetto al piano della superficie, in genere tra i 5° e i 20° rispetto all’orizzontale. Con angoli così ridotti, la geometria della riflessione è radicalmente diversa dall’illuminazione frontale convenzionale, e le immagini che ne risultano rivelano informazioni sulla superficie che rimangono completamente nascoste con l’illuminazione standard.

1. Aspetti fisici dell’Illuminazione in Campo Scuro

Per capire perché l’illuminazione in Campo Scuro funziona, pensa a cosa succede quando la luce colpisce una superficie liscia con un angolo molto basso. Una superficie liscia e piana, illuminata con incidenza radente, riflette praticamente tutta la luce incidente con un angolo radente uguale e opposto. Il fascio riflesso si allontana dalla superficie con lo stesso angolo basso e non entra mai nell’obiettivo della fotocamera, che si trova sopra la superficie e guarda verso il basso. La superficie liscia appare quindi scura nell’immagine della fotocamera.

Qualsiasi caratteristica della superficie che si discosti dal piano liscio diffonde parte della luce incidente in direzioni diverse da quella del riflesso speculare. Parte di quella luce diffusa viaggia verso l’alto con angoli tali da entrare nell’obiettivo della fotocamera, quindi la caratteristica appare luminosa sullo sfondo scuro. Questo è il meccanismo di contrasto dell’Illuminazione in Campo Scuro: i difetti e le caratteristiche della superficie appaiono luminosi, mentre lo sfondo liscio appare scuro.

Perché il campo oscuro è meglio del campo chiaro per individuare i difetti più piccoli

Con l’illuminazione frontale convenzionale (campo chiaro), un piccolo graffio su una superficie liscia riduce la riflettanza locale di una piccola percentuale. La differenza di segnale tra l’area graffiata e la superficie liscia circostante può ammontare a pochi livelli di grigio nell’immagine della telecamera. Rilevare questo fenomeno in modo affidabile con un algoritmo di Elaborazione delle Immagini richiede un rapporto segnale-rumore molto elevato e un’attenta selezione della soglia.

Con l’illuminazione in Campo Scuro, lo stesso graffio appare come una caratteristica luminosa su uno sfondo completamente scuro. Il rapporto segnale-rumore è molto elevato e il livello di grigio del graffio può essere molte volte superiore a quello dello sfondo liscio. Questo rende la selezione della soglia molto affidabile e garantisce un’elevata affidabilità di rilevamento, anche per difetti molto sottili o poco profondi che sarebbero impossibili da rilevare con qualsiasi tecnica a campo chiaro.

Miglioramento delle ombre per il rilievo della superficie

L’illuminazione in Campo Scuro migliora anche la visibilità delle caratteristiche in rilievo della superficie grazie alla formazione delle ombre. Quando la luce arriva con un angolo molto basso, qualsiasi caratteristica in rilievo proietta un’ombra molto più lunga della sua stessa altezza. Una sbavatura in rilievo alta 10 micrometri, illuminata con un angolo di 10° rispetto all’orizzontale, proietta un’ombra lunga circa 57 micrometri. Questo effetto di ingrandimento dell’ombra rende facile vedere e misurare anche le caratteristiche in rilievo più piccole.

Questo miglioramento dell’ombra trova applicazione in diversi ambiti, tra cui: il rilevamento di bave sporgenti sui bordi lavorati, la verifica di motivi in rilievo o incisi sulle confezioni, il rilevamento di particelle di contaminazione superficiale e la misurazione dei profili di rugosità superficiale. La lunghezza dell’ombra è direttamente correlata all’altezza della caratteristica e all’angolo di illuminazione, il che permette di stimare quantitativamente l’altezza sulla base della misurazione dell’ombra.

2. Superfici ideali e difetti superficiali per l’ispezione in campo oscuro

L’illuminazione in Campo Scuro è particolarmente efficace su superfici lisce o levigate, dove la riflettanza dello sfondo è elevata e i difetti causano una diffusione localizzata della luce. Questa tecnica risulta meno efficace su superfici ruvide o opache, dove lo sfondo diffonde la luce anche nelle aree prive di difetti, riducendo il contrasto tra le zone difettose e quelle integre.

Superfici metalliche

Le superfici metalliche lucidate e lavorate a macchina sono tra le applicazioni più comuni per l’Illuminazione in Campo Scuro. I graffi causati dalla manipolazione, i segni degli utensili dovuti alla lavorazione, le microfessure derivanti dalla formatura o dal trattamento termico e le particelle superficiali originate dal processo risultano tutti ben visibili con un elevato contrasto in campo oscuro. Questa tecnica permette un’ispezione in linea al 100% di componenti torniti, superfici rettificate, parti stampate e componenti lavorati con precisione nei settori automobilistico, aerospaziale e dell’ingegneria in generale.

Vetro e componenti ottici

Le superfici in vetro sono altamente speculari. Con l’illuminazione in campo chiaro, i difetti sulle superfici in vetro possono essere mascherati dai riflessi e dagli effetti di trasmissione. Con l’illuminazione in campo oscuro a incidenza radente, graffi, scheggiature, particelle superficiali e difetti di rivestimento sulle superfici in vetro appaiono come caratteristiche luminose su uno sfondo scuro ad alto contrasto. Questo rende l’illuminazione in campo oscuro la tecnica standard per l’ispezione del vetro piano, il Controllo Qualità degli elementi ottici e l’ispezione degli imballaggi in vetro.

Plastica e superfici rivestite

I componenti in plastica stampati a iniezione con superfici lucide o semilucide, i componenti rivestiti e le superfici con pellicola possono essere tutti ispezionati con l’illuminazione in Campo Scuro. Questa tecnica è particolarmente indicata per individuare linee di flusso, segni di affossamento, contaminazioni superficiali e irregolarità del rivestimento sui componenti in plastica. La lunghezza d’onda dell’illuminazione va scelta in base alle caratteristiche di riflettanza della plastica o del materiale di rivestimento.

Wafer semiconduttori e componenti elettronici

L’ispezione di wafer semiconduttori è una delle applicazioni in campo oscuro più impegnative. Le superfici dei wafer devono essere completamente prive di particelle, graffi e difetti superficiali fino a dimensioni inferiori al micrometro. L’illuminazione in Campo Scuro con angoli molto bassi, abbinata a ottiche con alta risoluzione e telecamere sensibili, permette di rilevare difetti che altrimenti sarebbero invisibili. Requisiti simili valgono anche per l’ispezione delle superfici dei PCB nudi, dei substrati ceramici e dei componenti elettronici di precisione.

3. Scelta dell’angolo di illuminazione

L’angolo di illuminazione nelle applicazioni in campo oscuro è il parametro di progettazione più importante. Determina il contrasto dello sfondo uniforme, l’ingrandimento delle ombre delle caratteristiche in rilievo e la sensibilità ai diversi tipi di difetti. L’angolo ottimale dipende dalle caratteristiche superficiali dell’oggetto e dalla natura dei difetti da individuare.

Angoli molto bassi: da 5° a 10°

Angoli di illuminazione molto bassi (da 5° a 10° rispetto all’orizzontale) offrono il massimo ingrandimento dell’ombra e lo sfondo più scuro su superfici lisce e speculari. Sono ideali per individuare difetti molto superficiali come graffi sottili, microfessure e variazioni di rugosità su superfici altamente lucidate. A questi angoli, la distanza di lavoro tra l’Illuminatore e la superficie dell’oggetto è solitamente ridotta, cosa di cui bisogna tenere conto nella progettazione meccanica della cella di ispezione.

Angoli moderatamente bassi: da 15° a 25°

Gli angoli di incidenza moderatamente bassi (da 15° a 25°) garantiscono un buon equilibrio tra l’oscurità dello sfondo e la lunghezza delle ombre. Sono ideali per rilevare particelle superficiali, bave sporgenti, incisioni e variazioni di texture su superfici lavorate o semilucide. Questa gamma di angoli è la più utilizzata nell’ispezione industriale in generale, poiché offre un buon contrasto su un’ampia gamma di finiture superficiali senza i rigidi vincoli meccanici tipici degli angoli molto bassi.

Illuminatori ad anello e multidirezionali per l’Illuminazione in Campo Scuro

Un illuminatore ad anello posizionato a basso angolo fornisce un’illuminazione in campo oscuro da tutte le direzioni azimutali contemporaneamente. Questo garantisce che graffi e caratteristiche lineari presenti sulla superficie, indipendentemente dal loro orientamento, vengano rilevati in modo uniforme. Un graffio che corre parallelo alla direzione di un fascio in campo oscuro unidirezionale potrebbe non diffondere molta luce e quindi passare inosservato. La geometria ad anello elimina questa dipendenza dalla direzione.

Gli illuminatori ad anello a basso angolo della serie DC di Roder Vision sono progettati appositamente per l’ispezione di superfici in Campo Scuro. La geometria dell’anello garantisce un’illuminazione omnidirezionale a basso angolo e sono disponibili diversi angoli di illuminazione per adattarsi alle diverse finiture superficiali e ai vari tipi di difetti.

4. Consigli per l’integrazione dei sistemi di ispezione a campo oscuro

I sistemi di illuminazione in campo oscuro richiedono un’attenta progettazione meccanica e ottica per ottenere risultati di ispezione affidabili e ripetibili. Le linee guida riportate di seguito illustrano gli aspetti più importanti da considerare in fase di integrazione.

Planarità e posizionamento degli oggetti

Le prestazioni dell’illuminazione in Campo Scuro dipendono dalla planarità e dal posizionamento della superficie dell’oggetto. Una superficie inclinata o deformata modifica l’angolo di illuminazione effettivo in tutto il Campo di Vista. Questo può far apparire lo sfondo non uniforme, con alcune aree più scure e altre che presentano riflessi indesiderati. I dispositivi di posizionamento dell’oggetto dovrebbero mantenere il pezzo in piano e a un’altezza costante rispetto all’Illuminatore. Una variazione di altezza superiore a 1-2 mm può ridurre il contrasto nelle configurazioni in Campo Scuro a basso angolo.

Reiezione della Luce Ambiente

Le celle di ispezione in campo oscuro sono particolarmente sensibili alla contaminazione da luce ambientale. Lo sfondo scuro che rende il campo oscuro così efficace si ottiene solo quando nessuna luce parassita raggiunge la superficie da altre direzioni. Anche una piccola quantità di luce ambientale proveniente dall’alto sulla superficie dell’oggetto schiarisce lo sfondo e riduce il contrasto dei difetti. Le celle di ispezione in campo oscuro dovrebbero essere chiuse o schermate per isolare la luce ambientale. Il funzionamento in modalità strobo con tempi di esposizione brevi aiuta ulteriormente a eliminare la luce ambientale proveniente dalle fonti presenti in fabbrica.

Impostazioni della fotocamera e ottimizzazione dell’esposizione

Dato che lo sfondo in un’immagine in campo oscuro è molto scuro, l’esposizione della fotocamera deve essere impostata in modo da rendere visibili i segnali dei difetti senza saturarli. L’esposizione ottimale bilancia la luminosità dei segnali dei difetti rispetto al rumore di fondo del sensore della fotocamera. L’illuminazione in modalità stroboscopica con un’intensità di picco elevata permette tempi di esposizione molto brevi, il che riduce la sfocatura da movimento sugli oggetti in movimento e migliora allo stesso tempo la reiezione della Luce Ambiente.

Gli illuminatori delle serie Roder Vision DL5 e DC6 supportano il funzionamento in modalità stroboscopica con intensità di picco molte volte superiori a quelle della modalità continua. Questa combinazione di esposizione breve e alta intensità di picco è l’approccio standard per l’ispezione ad alta velocità in Campo Scuro sulle linee di produzione.

Prodotti e tecnologie

Famiglie di illuminatori RODER Vision per l’ispezione in Campo Scuro

Le famiglie di prodotti Roder Vision qui sotto sono adatte all’ispezione di superfici in campo oscuro su una vasta gamma di tipi di superfici, dimensioni degli oggetti e velocità di linea.

Domande frequenti