Grundlagen der Beleuchtungsauswahl

Wie wähle ich die passende Beleuchtung aus?

Unter „industrieller Bildverarbeitung“ versteht man die softwaregestützte Bearbeitung von Bildern zum Zweck automatisierter Erkennung. Eine stabile Erkennung erfordert, dass das zu erkennende Merkmal deutlich sichtbar ist. Die Beleuchtungsauswahl spielt dabei eine wichtige Rolle, da Beleuchtungsart, Intensität und Winkel maßgeblich dazu beitragen wie gut die gesuchten Merkmale zu erkennen sind. In diesem Abschnitt werden die Grundlagen für die Auswahl der richtigen Beleuchtung vorgestellt.

Drei Schritte, die bei der Beleuchtungsauswahl zu berücksichtigen sind

  1. Bestimmen Sie die erforderliche Beleuchtungssituation
    (Spiegelreflexion / diffuse Reflexion / durchscheinende Hintergrundbeleuchtung).
    Welche Qualitätskriterien gilt es zu überprüfen (Defekte, Form, Vorhandensein/Fehlen usw.).
    Überprüfen Sie, ob die Oberfläche glatt, gewölbt oder ungleichmäßig ist.
  2. Legen Sie Form und Größe der Beleuchtungsvorrichtung fest.
    In Abhängigkeit der Objektabmessungen gilt es die Beleuchtungsgröße und -form auszuwählen sowie die Montagebedingungen festzulegen.
    Beispiele: Ringförmig, flacher Einstrahlwinkel, koaxial- oder kuppelförmig.
  3. Legen Sie die Farbe (Wellenlänge) der Beleuchtung fest.
    Überprüfen Sie das Material und die Farbe des Messobjekts und des Hintergrunds.
    Beispiele: rote, weiße oder blaue LED-Leuchten.

Formen typischer Beleuchtungssysteme(LED-Beleuchtung)

  • Koaxial-vertikal
    CA-DX

  • Flacher Einstrahlwinkel
    CA-DL

  • Ringförmig für Direktbeleuchtung
    CA-DR

  • Hintergrundbeleuchtung
    CA-DS

  • Kuppelförmig
    CA-DD

  • Stabförmig
    CA-DB

Beleuchtungsauswahl:
Schritt 1 (Spiegelreflexion / diffuse Reflexion / durchscheinende Hintergrundbeleuchtung)

LED-Beleuchtungselemente lassen sich grob in folgende drei Typen einteilen:

  • Beleuchtung erzeugt eine starke Spiegelreflexion:
    Das Messobjekt wird mit Licht bestrahlt und das Objektiv nimmt die direkte Spiegelreflexion auf.
  • Diffus reflektierende Beleuchtung:
    Das Messobjekt wird mit Licht bestrahlt und das Objektiv nimmt die diffusen Reflexion auf.
  • Hintergrundbeleuchtung:
    Das Messobjekt wird von der Rückseite her mit Licht durchstrahlt und das Objektiv nimmt das durchscheinende Licht und die Silhouette auf.

(1)Anwendungsbeispiel zur Spiegelreflexion

Prüfen von Metalloberflächen auf Vorhandensein/Fehlen von Beschriftungen

  1. Beschriftung erscheint verschwommen.
  2. Beschriftung erscheint klar und deutlich.

Der Kontrast zwischen der glatten Metalloberfläche und den Vertiefungen der Beschriftung muss verstärkt werden.

Da die Metalloberfläche die Beleuchtung hervorragend reflektiert, wohingegen die Beschriftung dies nicht tut, eignet sich eine Beleuchtung mit Spiegelreflexion am besten, um die Unterschiede zwischen Oberfläche und Beschriftung herauszuarbeiten.

(2)Anwendungsbeispiel zur diffusen Reflexion

Prüfen des Aufdrucks auf einem Mikrochip durch eine transparente Kunststofffolie hindurch

  1. Die Folienoberfläche reflektiert die Beleuchtung.
  2. Das Bild wird durch die Folie nicht beeinträchtigt.

Der Kontrast zwischen der Oberfläche des Mikrochips und dem Aufdruck muss verstärkt werden, indem die Reflexion durch die transparente Kunststofffolie (Haloeffekt) beseitigt wird.

Eine diffuse Beleuchtung ist am besten geeignet, um Spiegelreflexion durch transparente Kunststofffolien zu vermeiden.

(3)Anwendungsbeispiel für eine Hintergrundbeleuchtung

Prüfen von Vliesmaterial auf Fremdkörper

  1. Die Folienoberfläche reflektiert die Beleuchtung.
  2. Die Silhouette des Fremdkörpers wird klar erkannt.

Der Kontrast zwischen der Oberfläche des Messobjekts und dem Fremdkörper muss verstärkt werden. Angesichts des geringen Farbunterschieds ist der Fremdkörper nämlich nur schwer zu erkennen.

Selbst wenn mit reflektiertem Licht gar kein Unterschied zu erkennen ist, kommt der Fremdkörper als deutliche Silhouette zum Vorschein, wenn das Messobjekt von seiner Rückseite her mittels einer Hintergrundbeleuchtung durchstrahlt wird.

Hinweis

In einem ersten Schritt gilt es, anhand der Form des Messobjekts und des vorliegenden Prüfzwecks zu entscheiden, welche Beleuchtungsmethode am geeignetsten ist: Spiegelreflexion, diffuse Reflexion oder Hintergrundbeleuchtung.
Anschließend werden Größe und Farbe des Lichts so gewählt, dass man ein optimales Bild für die Verarbeitung erhält.

Beleuchtungsauswahl: Schritt 2 (Beleuchtungsgröße/-art und -form)

(1)Anwendungsbeispiel zur Beleuchtung mittels direkter Spiegelreflexion
Abgebrochene Stellen an Glasplattenkanten erkennen

Einfach reflektiertes Licht

Reflektiertes Licht wird zufällig auf der Glasoberfläche reflektiert.

Die Beleuchtungsart gemäß den Eigenschaften des Objekts und den Erkennungsbedingungen vornehmen.
  • Die Glasoberfläche reflektiert die Beleuchtung.
  • Der Kontrast zwischen der Glasplatte und dem Hintergrund muss verstärkt werden.
  • Am besten beleuchtet man das Glasobjekt von der Seite her.
  • Oberhalb des Glasobjekts ist Platz vorhanden.

Die beste Wahl ist eine koaxial-vertikale Beleuchtung.

Koaxial-vertikale Beleuchtung
Die gesamte Glasoberfläche lässt sich gleichförmig beleuchten.

(2)Anwendungsbeispiel zur diffusen Reflexion
Die schadhaften Kanten an Gummidichtringen erkennen.

Einfach reflektiertes Licht

Die Beschädigung am Außenrand kann nicht erkannt werden.

Die Art der Beleuchtung gemäß den Eigenschaften des Objekts und den Erkennungsbedingungen vornehmen.
  • Das Objekt besteht aus schwarzem Gummi, welches Licht nicht reflektiert.
  • Die defekte Stelle ist ebenfalls schwarz und reflektiert Licht ebenso wenig.
  • Es erweist sich als wirkungsvoll, das Objekt aus einem schrägen Winkel heraus zu beleuchten, damit das Licht die beschädigte Stelle markant ausleuchtet.
  • Die Beleuchtungsvorrichtung kann in unmittelbarer Nähe des Objekts montiert werden.

Die beste Wahl ist eine Beleuchtung mit flachem Einstrahlwinkel.

(3)Anwendungsbeispiel zur Hintergrundbeleuchtung
Prüfen von Kontaktstiften

Einfach reflektiertes Licht

Die Kanten weisen nur einen geringen Kontrast auf.

Auswahl der Beleuchtung gemäß den Eigenschaften des Messobjekts und den Erkennungsbedingungen
  • Das Messobjekt ist ein Metallobjekt mit Erhebungen und Vertiefungen, was zu einer unregelmäßigen Spiegelreflexion führt.
  • Bei Verwendung einer durchscheinenden Hintergrundbeleuchtung können die Kanten des Messobjekts ohne Beeinträchtigung durch die Erhebungen und Vertiefungen klar und deutlich erkannt werden.
  • Die Beleuchtungsvorrichtung kann hinter dem Messobjekt montiert werden.

Die beste Wahl ist eine Hintergrundbeleuchtung.

Mit einer Hintergrundbeleuchtung
Die komplexen Umrisse sind klar und deutlich zu erkennen.

Hinweis

Nachdem die Beleuchtungsmethode festgelegt ist, geht es nun um den Lichttyp, der durch den Prüfzweck, den Hintergrund und die Umgebungsbedingungen bestimmt wird.
Zur Wahl stehen: koaxiale oder Ringbeleuchtung bzw. Stableuchten für die Spiegelreflexion; Flachwinkelleuchten, Ringbeleuchtung oder Stableuchten für die diffuse Reflexion; großflächige Beleuchtung oder Stableuchten für die Hintergrundbeleuchtung. Ringbeleuchtung und Stableuchten kommen besonders häufig zum Einsatz, da sie durch eine einfache Anpassung des Montageabstands für unterschiedliche Zwecke geeignet sind.

Beleuchtungsauswahl: Schritt 3 (Farbe und Wellenlänge der Beleuchtung)

Der letzte Schritt ist das Festlegen der geeigneten Beleuchtungsfarbe in Abhängigkeit vom Objekt und des vorhandenen Hintergrundes.

Bei Verwendung einer Farbbildkamera stellt weißes Licht in der Regel die beste Auswahl dar. Bei Verwendung einer S/W-Kamera sind die folgenden Kenntnisse für die Auswahl sehr hilfreich.

Erkennung mit Hilfe von Komplementärfarben

Ein rot verpacktes Bonbon liegt in einem Karton. Die folgenden Abbildungen zeigen den jeweiligen Kontrast bei Verwendung von verschiedenen LED-Beleuchtungen zur Erkennung des Vorhandenseins/Fehlens des rot verpackten Bonbons.

Work piece
  • Mit einer weißen LED-Leuchte
    Das gesamte Bild weist eine gleichmäßige Helligkeit auf, und es gibt fast keinen Kontrast zwischen dem Messobjekt und dem Hintergrund.
  • Mit einer roten LED-Leuchte
    Das rote Messobjekt erscheint heller, aber der Kontrast ist nach wie vor unzureichend.
  • Mit einer blauen LED-Leuchte
    Das rote Messobjekt erscheint schwarz, wodurch eine stabile Erkennung möglich ist. Die blaue LED-Leuchte ist daher optimal.
Die Referenz:
Der Farbkreis : Grün / Blau / Violett / Rot / Orange / Gelb

Was sind Komplementärfarben?
Die Komplementärfarbe zu einer Farbe ist jene Farbe, die ihr auf dem Farbkreis gegenüber liegt. Wenn ein Objekt mit einer Beleuchtung in seiner Komplementärfarbe angestrahlt wird, erscheint es praktisch schwarz.

Erkennung mit Hilfe der Wellenlänge

Die folgenden Abbildungen zeigen, wie Aufdrucke auf Mikrochips durch eine transparente Kunststofffolie hindurch dargestellt werden. Bei roter Beleuchtung ist der Kontrast höher als bei einer blaufarbigen Beleuchtung, da rotes Licht energiereicher ist, so dass es Objekte besser durchdringen kann und dabei weniger gestreut wird.

[ Unsichtbares Licht: Ultraviolettes Licht][ Sichtbares Licht : Violett 380 / Blau 430 / Grün-Blau 480 / Blau-Grün 490 / Grün 500 / Gelb-Grün 560 / Gelb 580 / Orange 595 / Rot 650 ][ Unsichtbares Licht : Infrarotlicht 780 ](Einheit: nm)

Der Mensch nimmt die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts als Farben wahr. Die Wellenlänge ist maßgeblich für die Eigenschaften der jeweiligen Farbe, etwa ob es Objekte leicht durchdringen kann (wie etwa rotes Licht mit seiner langen Wellenlänge) oder ob es stark gestreut wird (wie etwa blaues Licht mit seiner kurzen Wellenlänge).

Farbbildkameraaufnahme Weiße Beleuchtung / Farbbildkameraaufnahme Rote Beleuchtung / Farbbildkameraaufnahme Blaue Beleuchtung / S/W-Kamera-Aufnahme Trotz transparenter Kunststofffolie weist das Bild einen deutlichen Kontrast zwischen Aufdruck und Chip auf.[Die rote LED-Leuchte ist daher optimal.] / S/W-Kamera-Aufnahme Blaue Beleuchtung

Überblick über Beleuchtungsauswahl

Mit der Lichtauswahl werden die Bedingungen für die erfassten Bilder festgelegt, die bei der Bildverarbeitung eine besonders große Rolle spielen.
Statt die einzelnen Möglichkeiten blind durchzuprobieren, lässt sich anhand der folgenden Schritte gezielt die richtige Beleuchtung ermitteln:

  • Je nach Anwendung Entscheidung für Spiegelreflexion, diffuse Reflexion oder Hintergrundbeleuchtung
  • Auswahl von Typ und Größe des Lichts
  • Auswahl der Beleuchtungsfarbe

Der nächste Band wird "die Effekte von Farbkameras und Bildverbesserung" behandeln. Es ist ein wichtiger Faktor für die Verarbeitung des Bildes für die optimale Anwendung wie Aussehensprüfung und Positionserkennung.

Der nächste Leitfaden wird Punkte für die Auswahl der optimalen Farbauszüge und Bildverbesserung skizzieren.

0800-5393623

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