Beleuchtungen für die industrielle Bildverarbeitung

Reflexionsverhalten als Ausgangspunkt: von der Oberfläche zur Bauform

Ein häufiger Fehler bei der Auswahl einer Beleuchtung für die Bildverarbeitung ist die Frage nach der Bauform, bevor die Frage nach der Oberfläche beantwortet ist. Nicht das Bauteil entscheidet, sondern sein Reflexionsverhalten: Glänzende Flächen reflektieren gerichtet, also spiegelnd, matte Flächen streuen diffus in alle Richtungen, transparente Materialien lassen das Licht überwiegend durch und liefern im Auflicht kaum Kontrast. Daraus leiten sich alle weiteren Entscheidungen für die Industriekamera ab. Zur Auswahl stehen 833 Beleuchtungen, davon 471 von HikRobot und 362 von FALCON, durchgängig mit LED als Lichtquelle.

Hellfeld, Dunkelfeld und Durchlicht: wohin der Reflex läuft

Die drei Begriffe beschreiben die Geometrie zwischen Lichtquelle, Prüfling und Kamera. Im Hellfeld fällt das gespiegelte Licht direkt in das Objektiv, die glatte Fläche erscheint hell und ein Kratzer dunkel. Im Dunkelfeld beleuchten Sie flach, üblicherweise unter 30 Grad zur Objektebene: Der Direktreflex läuft am Objektiv vorbei, der Hintergrund bleibt dunkel, nur Riefen, Prägungen und Partikel streuen Licht in die Kamera. Beim Durchlicht steht die Leuchte hinter dem Objekt, die Kamera sieht nur die Silhouette, und der Kontrast entsteht unabhängig von Farbe, Glanz und leichter Verschmutzung.

Als Faustregel: Kontur vermessen bedeutet Durchlicht, Struktur sichtbar machen bedeutet Dunkelfeld, Druckbild oder Beschriftung lesen bedeutet Hellfeld.

Auflicht und Durchlicht bezeichnen die Beleuchtungsrichtung, nicht die Bauform: Ring, Balken, Dom, Koax und Spot arbeiten alle von der Kameraseite. Die Kategorie Auflichtbeleuchtung fasst diese Sicht zusammen. Sie überschneidet sich allein mit der Flächenbeleuchtung, deren Leuchten überwiegend zugleich dort gelistet sind; mit Ring, Balken, Dom, Koax und Spot gibt es keine Überschneidung. Dass die Summen der Filterwerte über der Gesamtzahl liegen, hat einen zweiten Grund: Manche Leuchten tragen mehrere Werte, etwa eine umschaltbare Farbe. Die Zahlen beschreiben die Auswahl je Filter, nicht disjunkte Gruppen.

Warum das Ringlicht nicht immer die richtige Antwort ist

Die Ringbeleuchtung ist mit 312 Varianten die häufigste Bauform und wird konzentrisch um das Objektiv montiert. Auf matten, planen Teilen liefert dieses Ringlicht mit geringem Justageaufwand eine gleichmäßige Ausleuchtung. Auf glänzenden Teilen erzeugt dieselbe Anordnung jedoch einen ringförmigen Reflex, der Merkmale überdeckt. Bei gewölbten Glanzteilen führt dann die Dombeleuchtung zum Ziel, deren gestreute Kuppel aus nahezu allen Raumrichtungen beleuchtet. Bei planen Glanzteilen ist die Koaxialbeleuchtung vorzuziehen, die das Licht über einen halbdurchlässigen Strahlteiler in der Kameraachse einspiegelt.

Welche Lichtfarbe welchen Kontrast erzeugt

Gleichfarbiges Licht hellt auf, komplementäres Licht dunkelt ab. Eine rote Markierung erscheint unter rotem Licht hell, unter blauem oder grünem Licht dunkel. Für Farbaufnahmen ist weißes Licht erforderlich, weil eine Farbkamera nur bewerten kann, was das Spektrum anbietet.

Schmalbandiges Licht bringt einen zweiten Vorteil: Ein Bandpassfilter am Objektiv, der nur die verwendete Wellenlänge durchlässt, blendet Hallenbeleuchtung und Tageslicht weitgehend aus.

Blitzbetrieb, Dauerlicht und Bewegungsunschärfe

Für Blitzbetrieb und für Dauerlicht sind jeweils 362 Artikel ausgewiesen. Dauerlicht genügt bei stehenden oder langsam getakteten Teilen. Im Blitzbetrieb schaltet ein Controller die Leuchte synchron zum Triggersignal der Flächenkamera nur während der Belichtung ein. Davon zu trennen ist der Overdrive, der kurzzeitige Betrieb über dem Nennstrom. Er setzt eine dafür freigegebene Leuchte, einen passenden Controller und ein begrenztes Tastverhältnis voraus, also ein begrenztes Verhältnis von Einschaltzeit zu Periodendauer.

Ob ein Blitz nötig ist, lässt sich rechnen: Verschmierung gleich Geschwindigkeit mal Belichtungszeit. Bei 1 m/s ergeben 1 ms Belichtungszeit 1 mm Verschmierung, 100 Mikrosekunden ergeben 0,1 mm, 20 Mikrosekunden ergeben 0,02 mm. Die Verschmierung sollte unter einem Pixel im Objektraum bleiben, also unter der Strecke, die ein Pixel auf dem Prüfteil abdeckt. Bei 0,05 mm je Pixel und 1 m/s sind das 50 Mikrosekunden.

Kurze Belichtungszeiten kosten Licht. Ausgleichen lässt sich das über Blende, Sensorverstärkung oder Beleuchtungsstärke: Die offene Blende kostet Schärfentiefe, die Verstärkung erhöht das Bildrauschen, nur mehr Licht verbessert die Bildqualität. Der Blitz muss sicher im Belichtungsfenster liegen, sonst schwankt die Bildhelligkeit von Bild zu Bild.

Häufige Fragen zu Beleuchtungen

Welche Beleuchtung eignet sich für stark glänzende Oberflächen?

Bei gewölbten Glanzteilen die Dombeleuchtung, weil diffuses Licht aus allen Raumrichtungen punktuelle Reflexe vermeidet. Bei planen spiegelnden Flächen wie Leiterplatten oder Lasermarkierungen die Koaxialbeleuchtung. Ein Ringlicht hinterlässt auf solchen Teilen einen ringförmigen Reflex.

Wann ist Durchlicht besser als Auflicht?

Immer dann, wenn nur die Außenkontur interessiert: Maße, Winkel, Bohrungen, Vollständigkeit. Der Kantenkontrast bleibt unabhängig von Farbe und Oberflächenzustand. Sobald Merkmale auf der Oberfläche geprüft werden, etwa Beschriftung oder Kratzer, ist Auflicht erforderlich.

Was unterscheidet Hellfeld von Dunkelfeld?

Die Einfallsrichtung. Im Hellfeld gelangt die direkte Reflexion in das Objektiv, glatte Flächen erscheinen hell und Defekte dunkel. Im Dunkelfeld beleuchten Sie flach, die direkte Reflexion verfehlt das Objektiv, und nur streuende Strukturen leuchten auf dunklem Grund auf.

Wie wirkt sich der Arbeitsabstand auf die Helligkeit aus?

Bei gerichteten Bauformen wie Spot und Balken sinkt die Beleuchtungsstärke näherungsweise mit dem Quadrat des Abstands, bei doppeltem Abstand bleibt rund ein Viertel. Für Dom und Flächenbeleuchtung im Nahbereich gilt das nicht, dort ist das Arbeitsabstandsfenster des Herstellers maßgeblich. Prüfen Sie zuerst die Montageposition, bevor Sie ein stärkeres Modell einplanen.

Welche Beleuchtung passt zu einer Zeilenkamera?

Balkenbeleuchtungen im Dauerlicht, weil sie das schmale, sehr helle Lichtband erzeugen, das Zeilenkameras benötigen. Die Baulänge sollte das Sichtfeld beidseitig überragen, damit die Helligkeit über die gesamte Zeile gleichmäßig bleibt.

Welche Beleuchtung eignet sich zum Lesen von Codes?

Für gedruckte Codes auf mattem Untergrund genügt ein Ringlicht im Hellfeld. Direktmarkierungen, also genadelte oder gelaserte Data-Matrix-Codes auf Metall, benötigen Dunkelfeld über flach gestellte Balkenbeleuchtungen oder eine Dombeleuchtung. Lesegeräte finden Sie unter Code-Scanner, Controller und Halter unter Zubehör und Kabel.