Silhouettenbeleuchtung in der industriellen Bildverarbeitung

Bildverarbeitungsanwendungen, die eine präzise Erkennung und Messung von Kanten und kleinen Defekten erfordern, stellen oft hohe Anforderungen an die Beleuchtung. Um den Kontrast zwischen einem wichtigen Detail und dem Hintergrund eines Bildes zu erhöhen, kann die sogenannte Silhouettenbeleuchtung sinnvoll sein. In Verbindung mit einem hochwertigen telezentrischen Objektiv reduziert eine Silhouettenbeleuchtung Streueffekte, die bei anderen Beleuchtungssystemen auftreten können, ermöglicht eine genauere Kantenerkennung und bietet einen besseren Gesamtbildkontrast. Es gibt vier verschiedene Beleuchtungssysteme, die zur Erzeugung von Silhouetten werden können: konventionelle Hintergrundbeleuchtung, maskierte Hintergrundbeleuchtung, kollimierte Hintergrundbeleuchtung und telezentrische Beleuchtung. Jede Beleuchtung hat ihre eigenen Vor- und Nachteile für bestimmte Anwendungen.

Divergenz und numerische Apertur

Bevor die verschiedenen Typen von Silhouettenbeleuchtung vorgestellt werden, müssen die Divergenz und die numerische Apertur (NA) sowohl der optischen Quellen als auch der Abbildungsobjektive näher betrachtet werden. Die Divergenz einer Lichtquelle ist der Winkel, in dem sich die Lichtstrahlen in Bezug auf ihre optische Achse ausbreiten. Eine divergente Lichtquelle ist eine Lichtquelle, deren Beleuchtungsprofil immer größer wird, je weiter es sich vom Ausgangspunkt entfernt, ähnlich wie bei einer normalen Taschenlampe. Wenn eine optische Quelle nicht größer wird, obwohl sie bewegt wird, wird sie als kollimierte Lichtquelle bezeichnet, wobei hier der häufigste Typ ein Laser ist.

Kollimiertes Licht entsteht, wenn sich die Strahlen einer Quelle parallel zueinander ausbreiten. Dies wird erreicht, indem man einen divergenten Strahl optisch manipuliert oder eine divergente Quelle so weit von einem Objekt entfernt platziert, dass sie kollimiert erscheint, wenn das Licht das Objekt erreicht. Wenn man eine divergente Quelle im Brennpunkt einer Positivlinse positioniert, sind die Strahlen nach der Brechung kollimiert. Die Größe der Quelle und die verwendete Linse bestimmen, wie gut der resultierende Strahl kollimiert ist. Gleichung 1 zeigt die Beziehung zwischen der Restdivergenz im kollimierten Strahl θ, dem Durchmesser einer Quelle D und der Brennweite f der Kollimationslinse. Diese Gleichung berücksichtigt keine anderen Aspekte, die die Qualität eines kollimierten Strahls beeinflussen können, wie den Formfaktor der Linse, Abbildungsfehler oder die Rauheit der brechenden Oberflächen. Gleichung 1 verdeutlicht außerdem den Kompromiss, der oft zwischen der resultierenden Divergenz und der Lichtsammlung eingegangen werden muss. In Abbildung 1 wird ein einfacher Kollimationsaufbau skizziert, der zeigt, dass der Enddurchmesser des kollimierten Strahls gleich dem der verwendeten Kollimationslinse ist.

Je kleiner die Divergenz einer Lichtquelle ist, desto besser ist sie für die Silhouettenbeleuchtung geeignet. Abbildung 2 zeigt, wie eine kollimierte und eine divergente Lichtquelle unterschiedlich auf ein zu untersuchendes Objekt treffen.

Die Strahlen der divergenten Quelle treffen in vielen verschiedenen Winkeln auf die Kanten eines Objekts, was zu Lichtstreuung führt (Abbildung 3). Das Streulicht variiert je nach Geometrie und Materialeigenschaften (z. B. Glätte und Reflexionsvermögen) des zu prüfenden Objekts. Dadurch entsteht ein Effekt, bei dem die gestreuten Strahlen innerhalb des Objekts selbst zu entstehen scheinen. Die Strahlen der kollimierten Lichtquelle treffen gerade auf das Objekt, was die Lichtstreuung erheblich reduziert und eine klar definierte Kante zwischen Hintergrund und Silhouette schafft.

Die numerische Apertur ist einer der wichtigsten Aspekte, die bei der Auswahl eines geeigneten Objektivs und einer Beleuchtungsquelle für ein Abbildungssystem zu berücksichtigen sind. Die numerische Apertur eines Objektivs ist eine einheitenlose Zahl, die die Fähigkeit beschreibt, Licht außerhalb der Achse zu sammeln. Gleichung 2 zeigt, dass die NA einer Quelle durch ihre Divergenz θ definiert ist.

Die numerische Apertur eines Abbildungsobjektivs kann als Teil der Herstellungsspezifikationen angegeben werden, sie kann aber auch anhand des Kehrwerts der Blendenzahl abgeschätzt werden (siehe Gleichung 3). Da beide direkt miteinander verbunden sind, kann die NA auch zur Bestimmung der Auflösung und der Tiefenschärfe eines Objektivs verwendet werden.

Um die Effizienz eines Abbildungssystems zu maximieren, sollten die numerischen Aperturen von Abbildungsobjektiv und Lichtquelle möglichst gleich sein. Wenn die numerische Apertur der Quelle viel größer ist als die des Objektivs, kann es zu Problemen mit Streulicht kommen. Wenn die NA eines Objektivs viel größer ist als die der Quelle, kann ein Bild schwach und kontrastarm erscheinen. Bei einer Silhouettenbeleuchtung wird häufig ein telezentrisches Objektiv als Abbildungsobjektiv verwendet. Aufgrund des speziellen Objektivdesigns bleibt die Vergrößerung von telezentrischen Objektiven konstant, egal, ob sie nah oder weit vom Objekt entfernt sind. Dadurch eignen sich telezentrische Objektive ideal für Anwendungen, bei denen eine Silhouettenbeleuchtung vorteilhaft wäre, wie z. B. bei der Messung von Form und Größe von Defekten an einem Objekt. Telezentrische Objektive haben oft kleinere numerische Aperturen als normale Festbrennweitenobjektive, wodurch die Wahl der korrekten Beleuchtung noch wichtiger wird.

Konventionelle Hintergrundbeleuchtung

Konventionelle Hintergrundbeleuchtungen sind divergente Lichtquellen, die hinter dem zu prüfenden Objekt angebracht werden. Sie werden oft so konstruiert, dass viele kleine Lichtquellen, wie LEDs oder zufällig ausgerichtete optische Fasern, hinter einem Diffusor platziert werden, um eine Lichtquelle für weniger anspruchsvolle Silhouettenaufnahmen zu schaffen. Diese Lichtquellen werden üblicherweise verwendet, wenn eine präzise Kantenerkennung nicht erforderlich ist, z. B. bei Mikroskopieanwendungen oder bei nicht reflektierenden Objekten. Weitere Vorteile dieser konventionellen Hintergrundbeleuchtungen sind der vergleichsweise niedrigere Preis, die breite Verfügbarkeit und die kleinere Bauweise, sodass sie sich leicht in Anwendungen mit wenig Platz integrieren lassen.

Da diese Art von Hintergrundbeleuchtung divergente Lichtquellen mit einem Diffusor kombiniert, streut das resultierende Licht an den Kanten eines Objekts. Dies kann besonders auffällig sein, wenn das Objekt metallisch und reflektierend ist, wie in Abbildung 5 gezeigt.

Die Streuung äußert sich in einer Kante, die verlaufend und unscharf erscheint, was es für einen Benutzer oder eine Software schwierig machen kann, die genaue Begrenzung eines Objekts zu erkennen. Große Mengen an Streuung können auch Teile des Objekts beleuchten, die nicht relevant sind und zu irreführenden Daten führen. Bei dem in Abbildung 6 gezeigten Kantenprofil geht die relative Intensität der Kante über einen Bereich von etwa 30 Pixeln von hell nach dunkel (hoch nach niedrig), wobei die Beschriftung an der Seite des Objektivs Wellen in den Daten verursacht.

Maskierte Hintergrundbeleuchtung

Wenn das Streulicht, das an den Rändern der Silhouette von einer konventionellen, divergenten Hintergrundbeleuchtung erzeugt wird, für eine Anwendung inakzeptabel ist, kann der Abstand zwischen Hintergrundbeleuchtung und Objekt vergrößert werden, damit die Strahlen der Hintergrundbeleuchtung weniger divergent erscheinen. Dies ist jedoch nicht immer die beste Lösung, denn wenn die Hintergrundbeleuchtung zu weit entfernt ist, kann zu viel Licht verloren gehen. Befindet sich die Hintergrundbeleuchtung hingegen nahe am Objekt, bleibt der Streueffekt durch die inhärente Divergenz der Hintergrundbeleuchtung bestehen.

Wie in Abbildung 7 gezeigt, ist das zu untersuchende Objekt oft viel kleiner als die Gesamtgröße der Hintergrundbeleuchtung. Das bedeutet, dass Lichtstrahlen aus den ungenutzten Teilen der Hintergrundbeleuchtung auch auf die Kanten des Objekts treffen und eine größere und hellere Kantenstreuung verursachen können, als wenn nur die Strahlen in der Nähe der Kante mit dem Objekt interagieren würden. Durch eine Maskierung (Abschattung) der Hintergrundbeleuchtung kann die Kantenstreuung reduziert werden, da so außenliegende Strahlen blockiert werden.

Um eine Hintergrundbeleuchtung zu maskieren, sollte ein undurchsichtiges Material wie z. B. Velourpapier verwendet werden, um Teile der Hintergrundbeleuchtung, die für die Anwendung nicht erforderlich sind, auszublenden. Die oben beschriebene Methode stellt eine sehr schnelle und kostengünstige Änderung der Beleuchtung dar. Der Nachteil ist, dass die Maske die Kantenstreuung nicht vollständig beseitigt und dass das Licht für Objekte unterschiedlicher Größe möglicherweise immer wieder neu maskiert werden muss. Für Objekte, die sich während der Inspektion durch das Sichtfeld des Objektivs bewegen, kann die Beleuchtung ebenfalls nicht sinnvoll maskiert werden. Abbildung 8 vergleicht eine maskierte Hintergrundbeleuchtung mit einer nicht maskierten.

Kollimierte Hintergrundbeleuchtung

Kollimierte Hintergrundbeleuchtungen sind ähnlich aufgebaut wie konventionelle Hintergrundbeleuchtungen. Sie enthalten divergente Lichtquellen sowie einen Diffusor und haben eine zusätzliche Kollimationsfolie, um die Divergenz des Hintergrundlichts zu verringern. Die Folie lässt nur Lichtstrahlen innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs austreten, wodurch eine Lichtquelle mit geringer Divergenz und flacher Bauform entsteht. Die integrierte Folie ermöglicht eine geringere Kantenstreuung, ohne dass eine vorhandene Hintergrundbeleuchtung für unterschiedlich große Objekte maskiert werden muss.

Obwohl diese Hintergrundbeleuchtungen nicht wirklich kollimiert sind, ist die Verbesserung bei der Silhouettenbeleuchtung deutlich erkennbar. Abbildung 10 zeigt ein Beispiel für eine reduzierte Kantenstreuung mit einer schärferen Profilkante.

Auch im Intensitätsprofil der Kante zeigt sich, dass die Kantenstreuung geringer ausfällt. Abbildung 11 zeigt einen viel steileren Anstieg beim Übergang von hell zu dunkel, der sich über etwa 20 Pixel erstreckt und nicht wie in Abbildung 6 unter Rauschen leidet.

Eine kollimierte Hintergrundbeleuchtung wird verwendet, wenn Randstreuung ein Problem darstellt, aber Platz- und Budgetbeschränkungen die Verwendung einer telezentrischen Beleuchtung nicht zulassen.

Telezentrische Beleuchtung

Wenn hochpräzise Anwendungen genaueste Messungen erfordern, sollte eine telezentrische Hintergrundbeleuchtung als Lichtquelle in Betracht gezogen werden. Eine telezentrische Beleuchtung funktioniert ähnlich wie ein telezentrisches Objektiv, aber die vorderen optischen Elemente projizieren nicht die Blende ins Unendliche, sondern eine Lichtquelle. Wenn telezentrische Beleuchtung und telezentrisches Objektiv zusammen verwendet werden, bieten sie eine bessere Leistung und einen höheren Kontrast als alle zuvor genannten Hintergrundbeleuchtungen.

Der Hauptvorteil einer telezentrischen Beleuchtung ist der hohe Grad an Kollimation, der durch das entsprechende optische Design erreicht wird. Hierbei werden divergente LED-Quellen in optische Baugruppen integriert, die kollimierte Strahlen erzeugen, in der Regel mit einer Abweichung von weniger als einem Grad von echter Kollimation. Telezentrische Beleuchtungen werden durch die präzise Positionierung einer großen Positivlinse und einer kleinen, leistungsstarken LED konstruiert, wodurch ein Beleuchtungsprofil entsteht, das scharfe Silhouetten erzeugt und besser zur NA eines telezentrischen Objektivs passt als andere Hintergrundbeleuchtungen. Abbildung 13 zeigt das Objekt aus Abbildung 10, diesmal beleuchtet mit einer telezentrischen Beleuchtung. Das Objekt weist keine Randstreueffekte auf, wie sie bei konventionellen Hintergrundbeleuchtungen auftreten, und hat einen schärferen Kantenübergang als die kollimierte Hintergrundbeleuchtung. Das Profil in Abbildung 14 bestätigt diese scharfe Kante, wobei der Übergang von hell zu dunkel über weniger als 10 Pixel erfolgt.

Das Erreichen dieser kontrastreichen Silhouetten birgt jedoch auch Nachteile. Telezentrische Beleuchtungen sind oft teurer und viel größer als die zuvor besprochenen Beleuchtungsoptionen. Aufgrund des optischen Designs eines telezentrischen Objektivs wird die Größe der beleuchteten Fläche durch die Größe der Frontlinse bestimmt. Wenn ein großes Bildfeld benötigt wird, ist eine große telezentrische Beleuchtung erforderlich, die die Größe und das Gewicht des Systems erhöht. Außerdem trägt die niedrige NA der Lichtquelle zwar dazu bei, ein Bild ohne Streueffekte zu erzeugen, sie kann aber die Ausrichtung erschweren. Wenn die Ausrichtung der telezentrischen Beleuchtung und des Objektivs auch nur um ein Grad abweicht, erscheint der von der Beleuchtung erzeugte Lichtfleck extrem schwach, und der Randkontrast wird verringert. Abbildung 15 zeigt, wie schnell das Profil leidet, wenn Objektiv und Beleuchtung nicht richtig ausgerichtet sind.

Die Herstellerangaben zu einer telezentrischen Beleuchtung können manchmal zu Verwirrung führen. Der Arbeitsabstand ist eine aussagekräftige Angabe, wenn er für ein telezentrisches Objektiv angegeben wird, da er die physische Entfernung (oder den Entfernungsbereich) beschreibt, in der das Objektiv fokussieren kann. Eine telezentrische Beleuchtung fokussiert kein Licht und erzeugt auch kein Bild, sodass diese Angabe oft nicht sinnvoll ist. Aufgrund der effizienten Lichtsammlung und Kollimation in einer gut gemachten telezentrischen Beleuchtung kann der physische Abstand zwischen dem Licht und einem Objekt viel größer sein als der als Arbeitsabstand angegebene Wert. Bei telezentrischen Beleuchtungen sind die wichtigsten Spezifikationen der maximale Durchmesser des kollimierten Lichtstrahls, die Größe des Objektivs und die numerische Apertur. Diese Angaben bilden die Grundlage für die Auswahl einer geeigneten Beleuchtungs- und Objektivkombination.

Zusammenfassung

Abbildung 16 zeigt die Kantenprofile desselben Objekts zusammen aufgetragen und vergleicht sehr gut über wie viele Pixel der Übergang zwischen dem hellen Hintergrund und der dunklen Kante stattfindet. Die telezentrische Beleuchtung hat den schnellsten und gleichmäßigsten Übergang, während die kollimierte Hintergrundbeleuchtung eine gleichmäßige Steigung aufweist, die sich über etwa die doppelte Anzahl von Pixeln erstreckt. Die Steigung der konventionellen Hintergrundbeleuchtung hat zunächst ein ähnliches Profil wie das der kollimierten Hintergrundbeleuchtung, aber durch die starke Streuung, die durch die hohe Divergenz der Hintergrundbeleuchtung verursacht wird, hat das Profil Probleme schnell von hell nach dunkel zu wechseln. Die Schwankungen im Profil der konventionellen Hintergrundbeleuchtung sind auf Schriftzüge am Rand des Objekts zurückzuführen, die nur aufgrund der stärkeren Kantenstreuung sichtbar sind, was ein weiteres mögliches Problem bei der Verwendung einer konventionellen Hintergrundbeleuchtung aufzeigt.

Wenn Sie sich mit den wichtigsten Aspekten einer Beleuchtung für Ihre Anwendung vertraut machen, können Sie eine fundierte Entscheidung für eine passende Hintergrundbeleuchtung treffen.

ART DER BELEUCHTUNG	VORTEILE	NACHTEILE
Konventionelle Hintergrundbeleuchtung	Geringe Kosten	Hohe Divergenz erzeugt Randstreuung
	Flach	Hohe NA führt zu Lichtverschwendung
	Einfaches Einrichten und Ausrichten	Gute bis schlechte Homogenität
Maskierte Hintergrundbeleuchtung	Geringere Streuung als bei konventionellen Hintergrundbeleuchtungen	Kein "Eine-Beleuchtung-für-alle-Anwendungen"-Ansatz
	Einfache und kostengünstige Modifikation der vorhandenen Hintergrundbeleuchtung	Ähnliche Nachteile wie bei den konventionellen, nicht maskierten Beleuchtungen
Kollimierte Hintergrundbeleuchtung	Geringere Divergenz zur Verringerung der Kantenstreuung	Keine echte Kollimation
	Große Beleuchtungsflächen in kleinem Gehäuse	Ineffizient bei Kombination mit telezentrischen Objektiven mit niedrigem NA-Wert
	Hohe Gleichmäßigkeit	Höhere Kosten im Vergleich zu konventionellen Hintergrundbeleuchtungen
Telezentrische Beleuchtung	Geringste Divergenz erzeugt kontrastreichste Silhouetten	Höhere Kosten
	Ermöglicht größeren Abstand zwischen Lichtquelle und Objekt	Größere Größe
	Hohe Gleichmäßigkeit	Genaue Ausrichtung erforderlich

Die Silhouettenbeleuchtung kann mit verschiedenen Arten von Hintergrundbeleuchtung erzeugt werden, und die beste Wahl hängt letztendlich von Ihrer spezifischen Anwendung ab. Es mag verlockend sein, aus Platz- und Kostengründen eine Standard-Hintergrundbeleuchtung zu verwenden, aber dies führt oft zu inakzeptablen Streuungen und schlechtem Kantenkontrast. Das Abdecken (Maskieren) der ungenutzten Teile der Hintergrundbeleuchtung kann Abhilfe schaffen, ist aber ein zeitaufwändiger Prozess, wenn Objekte verschiedener Größen zu prüfen sind. Kollimierte Hintergrundbeleuchtungen sind im Vergleich zu telezentrischen Beleuchtungen oft preiswerter und kleiner, genügen aber möglicherweise nicht den Anforderungen von Anwendungen, die hohe Präzision erfordern. Telezentrische Beleuchtungen bieten insgesamt die beste Gleichmäßigkeit und die genaueste Kantenerkennung, passen aber aufgrund ihrer größeren Abmessungen und höheren Kosten nicht zu jeder Anwendung.

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Weiterführende Informationen

• Anwendungshinweis: Telezentrische Beleuchtung
• Anwendungshinweis: Typische Beleuchtungsarten
• EO Imaging Lab 3.1: Grundlagen Beleuchtungskonzepte