Die Qualität optisch durchgeführter Inspektionen und Messungen hängt hochgradig von der Art der Beleuchtung bzw. Beleuchtungsgeometrie ab. Eine universelle Beleuchtungslösung für alle Anwendungen gibt es nicht. Spezialbeleuchtungen machen eine Optimierung möglich. Es bedarf jedoch viel Erfahrung, Beleuchtungsmethoden für die jeweilige Aufgabe richtig zu bewerten. Das vermeidet teure Nachrüstungen.

Konstrukteure von Bildverarbeitungssystemen müssen ihre Komponenten, angefangen beim Objektiv über die Sensortechnik bis hin zur Beleuchtung kompetent auswählen. Zu den wichtigsten zählt Letztere und ganz besonders die Beleuchtungsgeometrie.
Bei jeder einzelnen Anwendung gibt es spezielle Probleme, und obwohl Hintergrundbeleuchtung und Ringlicht oft für eine hohe Messpräzision sorgen, bestehen auch hier Grenzen. Bei bestimmten Anwendungen verbessert sich durch eine Spezialbeleuchtung die Bildgenauigkeit, was eine präzisere Messung ermöglicht. In-line-Beleuchtung, telezentrische Beleuchtung und Musterprojektion sind für bestimmte Aufgaben sehr gut geeignet. Obwohl diese Spezialgeometrien sich wahrscheinlich nicht für alle Beleuchtungsanwendungen eignen, bestechen sie jedoch durch ihre Leistung in jenen Bereichen, für die sie entwickelt worden sind und in denen sie in der Regel wesentlich bessere Ergebnisse erzielen als eine Universalbeleuchtung.

In-line-Beleuchtung, vorteilhaft bei spiegelnden Objekten

Bei der In-line-Beleuchtungsgeometrie wird das Licht über einen Strahlteiler direkt in den Strahlengang eines industriellen Bildverarbeitungsobjektivs eingekoppelt, wobei man für die Beleuchtung einen Lichtleiter oder eine LED-Lichtquelle benutzt. Die In-line-Beleuchtung eignet sich aufgrund der Objektivkonstruktion sehr gut für telezentrische Objektive, sodass zahlreiche handelsübliche telezentrische Objektive mit integrierten Beleuchtungsanschlüssen ausgestattet sind. Da die Geometrie für die In-line-Beleuchtung recht kompakt ist, glauben viele Konstrukteure, dass sie sich, unabhängig von den optischen Eigenschaften des zu untersuchenden Objekts, am besten für ein System mit geringem Platzbedarf eignet. Ungeachtet der räumlichen Aspekte, eignet sich die In-line-Beleuchtung jedoch hauptsächlich für das Inspizieren von spiegelnden und halbspiegelnden Objekten. Abbildung 1a zeigt einen untersuchten bedruckten Siliziumwafer mit spiegelnden Eigenschaften. Das Bild ist gleichmäßig ausgeleuchtet und zeigt die Objekte mit optimalem Kontrast. Diese hohe Bildqualität lässt sich nicht nur auf das hier verwendete hochwertige telezentrische Objektiv zurückführen, sondern auch auf die In-line-Beleuchtung. Benutzt man die gleiche Beleuchtungsgeometrie bei einem lambert‘schen (matten) oder einem anderen nichtreflektierenden Objekt, führt das zu einer insgesamt schlechten Bildqualität, mit einem hellen Fleck in der Mitte, der den Kontrast beträchtlich verschlechtert. In Abbildung 1b, wo es sich bei dem zu untersuchenden Objekt um ein Holzlineal handelt, lässt somit die Bildqualität sehr zu wünschen übrig. (Weitere Informationen zur In-line-Beleuchtung siehe inspect-Ausgabe 5/2013, S. 26-29; „Die richtige Beleuchtung - Gut zu wissen, wann In-line-Beleuchtung sinnvoll ist und wann nicht".)

Telezentrische Beleuchtung deckt Profil-Mängel auf

Bei der idealen telezentrischen Beleuchtungsgeometrie wird Licht aus einer Punktlichtquelle auf eine Bildebene projiziert, die sich in einem unendlichen Abstand befindet, wodurch Lichtstrahlen entstehen, die parallel zur optischen Achse verlaufen. Die telezentrische Beleuchtung besitzt im Vergleich zu einer diffusen Hintergrundbeleuchtung mehrere Vorteile, insbesondere, wenn mit einem industriellen Bildverarbeitungssystem das Profil eines Objekts, ähnlich wie ein Schattenbild, auf Abmessung oder andere Mängel überprüft werden soll. Aus diesem Grund wird diese Beleuchtungstechnik häufig mit einem telezentrischen Objektiv kombiniert. Telezentrische Objektive liefern äußerst scharfe Bilder von Objekten, da sich hier auch bei unterschiedlichen Arbeitsabständen der Abbildungsmaßstab nicht ändert. Setzt man telezentrische Objektive gemeinsam mit diffuser Beleuchtung ein, reduziert sich der Kantenkontrast, da schräg einfallende Strahlen der Hintergrundbeleuchtung die Kanten des zu untersuchenden Objekts undeutlicher erscheinen lassen (Abb. 2a). Durch diffuse Beleuchtung wird zum Teil auch die Vorderseite des Objekts beleuchtet, was den Bildkontrast insgesamt noch weiter reduziert. Diese unerwünschten Effekte lassen sich zwar durch Maskieren oder den Einsatz einer kleineren Hintergrundbeleuchtungsquelle ein wenig einschränken, doch gilt die telezentrische Beleuchtung hier als optimale Lösung. Aufgrund der Kollimation bei der telezentrischen Beleuchtung lässt sich das Profil eines Objekts mit dem gleichen telezentrischen Objektiv perfekt abbilden (Abb. 2b). Bei der telezentrischen Beleuchtung werden auch Grate oder Mängel am Profil mit sehr hohem Kontrast aufgedeckt, und aufgrund des hohen Helligkeitsgrades lässt sich die Belichtungsdauer verringern und die Inspektion im Vergleich zur diffusen Hintergrundbeleuchtung wesentlich beschleunigen.

Musterprojektion für 3D-Informationen

Bei der Musterprojektion handelt es sich um eine Spezialtechnik, die sich besonders gut für das schnelle Messen der dreidimensionalen Struktur eines Objekts oder Motivs eignet. Es gibt verschiedene Formen, wobei für die industrielle Bildverarbeitung meist LED- und laserbasierte Systeme verwendet werden. Sowohl mit Laser- als auch mit LED-Musterprojektoren will man in etwa das Gleiche erreichen: Durch Abstrahlen eines Musters auf das zu untersuchende Objekt soll es einfacher werden, dreidimensionale Daten von dem Objekt zu erfassen. Die gleichmäßige Geometrie der Muster bleibt beim Projizieren auf eine ebene Fläche erhalten, doch wenn es sich um ein Objekt oder Motiv mit Höhenunterschieden handelt, kommt es zu Verzerrungen. Kamera und Objektiv bilden diese Verzerrungen dann ab, sodass dreidimensionale Daten daraus gewonnen werden können. LED-Projektoren bestehen im Grunde aus einer LED-Lichtquelle, vor der sich eine gemusterte Maske befindet. Licht aus der LED-Lichtquelle passiert die Maske und wird durch ein Bildverarbeitungsobjektiv auf das zu überprüfende Objekt projiziert, wodurch eine Abbildung des Maskenmusters auf dem zu untersuchenden Objekt entsteht. LED-Musterprojektoren müssen nicht an der Achse ausgerichtet sein, wenn sich die Maske ankippen lässt. Es können je nach Anwendung unterschiedliche Objektivarten eingesetzt werden. Telezentrische Projektionsobjektive stellen oft eine gute Wahl dar, da sie, insbesondere wenn der Projektor nicht auf der Achse liegt, das auf das Objekt projizierte Muster nicht verfälschen. Abbildung 3a zeigt ein mit einem telezentrischen Objektiv projiziertes Gittermuster. Da telezentrische Objektive im Vergleich zu üblichen Bildverarbeitungsobjektiven ein begrenztes Sichtfeld haben, muss dies beim Projizieren eines Musters auf ein großes Objekt mit berücksichtigt werden. Bei Lasern verwendet man viele verschiedene Optiken zum Projizieren von Mustern: Powell-Linsen für Linien oder optische Beugungselemente für kompliziertere Muster. Es lässt sich eine fast unendliche Anzahl möglicher Muster für bestimmte Objektgeometrien erzeugen, wobei jedoch am häufigsten diverse Gitter-, Linien- oder Punktmustervarianten benutzt werden. Beispiele für Projektionsmuster sind in Abbildung 3a-c zu sehen. Die jeweilige Geometrie des Teils und die erforderliche Genauigkeit sind dafür ausschlaggebend, welches Muster optimal geeignet ist.

Teure Nachrüstung vermeiden

Ein kontrastreiches Bild ist bei jedem Bildverarbeitungssystem äußerst wichtig. Durch Bewerten sämtlicher verfügbaren Beleuchtungsgeometrien können Systemkonstrukteure teure Nachrüstungen oder schlechte Ergebnisse vermeiden. Eine Universalbeleuchtung mag oft akzeptable Ergebnisse bieten, doch bei bestimmten Anwendungen lässt sich durch In-line-Beleuchtung, telezentrische Beleuchtung oder Musterprojektion die Bildqualität beträchtlich verbessern, sodass dies möglichst mit berücksichtigt werden sollte.