Auflicht diffus: Licht mit Diffusor, koaxiale Beleuchtung, Tunnel, Dom-Beleuchtung

Diffuses Licht ist für viele Applikationen nötig, sobald spiegelnde, polierte, glänzende oder metallische Objekte geprüft werden müssen. Besonders schwierig wird es, wenn diese Oberflächen nicht mehr absolut eben, sondern frei geformt, geknittert, gewölbt oder zylinderförmig sind.

Jetzt werden diffuse Beleuchtungen benötigt, um das Bauteil zu inspizieren. Zum Einsatz kommen:

• Auflichtbeleuchtungen mit Diffusor
• Koaxialbeleuchtungen
• Domartige Beleuchtungen

Diffuse Ausleuchtung im Vergleich

Nicht jede  "diffuse" Lichtquelle ist wirklich diffus. Hier der direkte Vergleich der oben geschriebenen Beleuchtungstypen. Eine nahezu perfekte reflexfreie Ausleuchtung schafft erst die Dombeleuchtung.

Diffuses Ringlicht

Bild mit harten Licht-Reflexen an verschiedenen Stellen. Die Lage der Reflexe ist je nach Oberflächenwölbung und Position des Ringlichts stark unterschiedlich.

Koaxial-Beleuchtung

Ebene Oberfläche ist weitestgehend frei von Reflexen, bei leichter Verformung der Oberfläche treten jedoch ebenfalls wieder störende Spiegelungen.

Dom- Beleuchtung

Keine störenden Knitter mehr erkennbar, weil das Bild perfekt diffus ausgeleuchtet ist. Selbst die Tablettennester-Struktur wirkt nicht mehr plastisch.

Diffuses Ringlicht

Koaxial-Beleuchtung

Dom- Beleuchtung

Koaxiale Beleuchtungen, wie auch Dombeleuchtungen müssen in der Regel sehr nah am Objekt sein, damit das diffuse Streulicht auch die Oberfläche sehr homogen ausleuchten kann. Bei größerem Abstand wird das Licht wieder gerichteter, Oberflächen-Riefen, Kratzer etc. werden wieder deutlicher sichtbar.

Auflicht mit Diffusor

Im einfachsten Fall kann vor eine einfache Auflichtbeleuchtung ein Diffusor  aufgesetzt werden, zum Beispiel eine LED-Ringbeleuchtung mit Streuscheibe. Dadurch kann das direkt gerichtete Licht etwas besser homogenisiert werden. So sind zum Beispiel nun nicht mehr die einzelnen LEDs auf einem spiegelnden Material erkennbar. Das Licht ist allerdings immer noch stark gerichtet und kommt hauptsächlich aus der Richtung der Beleuchtung.

Koaxiale Auflichtbeleuchtungen

Diese Art von Beleuchtung koppelt das Licht von der Seite (koaxial) in den optischen Strahlengang ein. Dies geschieht mit Hilfe eines halbdurchlässigen Spiegel, der seitlich angeleuchtet wird und das Licht nach unten auf das Prüfobjekt wirft. Der Prüfkörper reflektiert das Licht, das durch den halbdurchlässigen Spiegel dann zur Kamera gelangt.

Koaxiale Auflichtbeleuchtung

Vorteil dieser Beleuchtungs-Bauart ist der "Blick" durch die Beleuchtungsquelle (hier der Spiegel) hindurch. Das Bild wirkt insgesamt sehr homogen und hat nur einen generellen linear abfallenden Lichtverlust, je weiter der sich Spiegel  von der Lampe entfernt. Tipp: Beleuchtung muss deutlich größer sein als zu inspizierender Bereich, um Inhomogenitäten der Beleuchtung zu vermeiden.

Koaxiale Beleuchtungen sind ideal für stark reflektierende Materialien, die eine relativ ebene Oberfläche haben. Sie sind sehr homogen, allerdings ziemlich gerichtet und erzeugen Kontrast an Kanten und stärkeren Wölbungen.

Direktes Licht

Gebürstetes Metall und Kratzer auf Display erzeugen starke Reflexionen selbst bei leicht verkippter Beleuchtung zur Vermeidung von harten Totalreflexionen. Licht ist stark gerichtet.

Diffuses Licht

Material ist ziemlich homogen ausgeleuchtet Riefen auf Metall noch leicht erkennbar. Viele feine Kratzer sind verschwunden. Noch diffusere Ausleuchtung mit Dom wäre möglich.

Idealer Arbeitsabstand für Koaxialbeleuchtungen sind kurze Distanzen von 1 bis maximal 3 cm.

Faustregel: Je näher desto besser, wenn  Sie den etwas diffusen Charakter der Beleuchtung ausnützen wollen, um eine weiche Ausleuchtung zu erreichen!

Je weiter sich das Licht entfernt, desto mehr geht die weiche Ausleuchtung des wenigen Streulichts verloren und das Licht wir mehr und mehr gerichteter. Schrägen, Kerbschriften und Fehler etc., die eine nicht mehr perfekt planare Oberfläche darstellen, werden so noch mehr betont.

Domartige Beleuchtungen

Erst eine Dom-Beleuchtung ist in der Lage, wirklich diffuses Licht zu erzeugen, bei dem weitestgehend keine Reflexionen am Bauteil auftreten. Durch den homogenen Lichteinfall aus allen Raumrichtungen werden auch Unebenheiten und Kratzer sehr weich ausgeleuchtet, einheitliches Material wirkt homogen.

Direktes Licht

Matter Blechwinkel erzeugt Reflexionen. Licht ist stark gerichtet.

Diffuser Dom

Material ist extrem homogen ausgeleuchtet Riefen auf Metall kaum noch erkennbar. Oberflächenfehler nicht mehr erkennbar.

Diese Bilder erscheinen typischerweise recht "strukturlos". Spiegelungen, Schattenwürfe, Oberflächenunebenheiten, Kratzer etc. werden unterdrückt. Bis zu einem Oberflächenwinkel von fast +/-  45 Grad werden Strukturen gleichmäßig ausgeleuchtet.  Erst andere Materialien und Bauteile mit anderer Farbe treten jetzt deutlich hervor.

Diffuses Auflicht mit Dombleuchtung

Eine Dombeleuchtung ist ideal, um metallische und glänzende Materialien zu inspizieren, um dabei Spiegelungen zu unterdrücken.

Variationen dieser Beleuchtung sind nur leicht gewölbte Beleuchtungen, die einen wesentlich geringeren Raumwinkel ausleuchten können oder tunnelartige Dombeleuchtungen, die eine längliche Kuppelform haben und ideal zur Beleuchtung von zylindrischen Objekten sind.

Tunnelbeleuchtung

Einfluss des Arbeitsabstands

Will man ein Prüfobjekt möglichst diffus ausleuchten, so ist es meistens nötig, einen kleinen Arbeitsabstand zu wählen. Je weiter man sich mit der Beleuchtung entfernt, desto gerichteter erscheint wieder das Licht. Die Folge ist ein verkleinerter ausgeleuchteter Raumwinkel der Beleuchtung. Stärkere Objektkrümmungen werden nicht mehr erleuchtet.

Einige Beispiele einer gewölbten Duschgelflasche mit zunehmenden Arbeitsabständen:

Dom 5mm Abstand

Gewölbte Oberfläche bis weit zum Rand hin homogen ausgeleuchtet. Ideal für Druckbildinspektion

Dom 50mm Abstand

Immer mehr Randbereiche nicht mehr hell, das zunehmend seitliche Lichtanteile zur homogenen Ausleuchtung fehlen.

Dom 100mm Abstand

Kleiner Raumwinkel, den die Beleuchtung noch homogen beleuchten kann. Hälfte der Edikette wird dunkel dargestellt.

Wichtig für die Bildverarbeitung

• Für eine Koaxial- oder Dombeleuchtung wird in der Regel ein kleiner Arbeitsabstand benötigt.
• Nur durch eine wesentlich größere Beleuchtung kann bei mehr Arbeitsabstand der nachlassende Dom-Effekt etwas kompensiert werden.
• Alle diffusen Beleuchtungen sind normalerweise leuchtschwach bedingt durch eine Einkopplung des Lichtes von der Seite oder des Randes und lassen sich daher leicht von außen durch Fremdlicht negativ beeinflussen. Unbedingt Blitzcontroller einsetzen, um mehr Helligkeit zu erhalten!
• Koaxiale Beleuchtungen zeigen einen linearen Helligkeitsverlust von der Lampe (in unserem Bild von rechts nach links) weg. Dieses kann durch eine größere Beleuchtung oder mit Hilfe einer Shading Korrektur in Software kompensiert werden.
• Auf extrem spiegelnden Materialien zeigt sich deutlich, dass Dom und Tunnelbeleuchtungen ein Loch haben, durch das die Kamera blicken muss. Auf spiegelnden Objekten ist dann in der Mitte ein dunkler Fleck erkennbar. Dieser Fleck kann mit Hilfe einer zusätzlichen Koaxialbeleuchtung ausgeleuchtet werden. Das Koaxiallicht wird dabei einfach oben über der Öffnung des Doms angebracht. Die Helligkeiten beider Beleuchtungen müssen nun exakt aufeinander eingeregelt werden. Jetzt ist der Dom perfekt!
• Aus diesem Grund wird die Öffnung prinzipiell möglichst klein gehalten. Zum Erfassen eines größeren Bildfeldes muss man also sehr nah mit der Kamera an den Dom heran. Weitwinklige Objektive werden nötig, was allerdings leider zu Bildverzerrungen führt.