Telezentrische Beleuchtung bringt jeden Kratzer an den Tag

Fachartikel
Erschienen in: MaschinenMarkt
Ausgabe: 13 / 2014
Telezentrische Beleuchtung bringt
jeden Kratzer an den Tag
Autorin: Dr.-Ing. Claudia Brückner, Entwicklungsingenieurin Optik
Prüfbeleuchtung
Telezentrische Beleuchtung bringt jeden
Kratzer an den Tag
11.03.14 | Autor / Redakteur: Claudia Brückner / Reinhold Schäfer
In Kombination mit telezentrischen
Beleuchtungen liefern telezentrische
Objektive die genauesten Ergebnisse,
wenn es um die Vermessung von
Objektformen geht. Außerdem werden
erst damit die Eigenschaften
bestimmter Prüfobjekte wie
Einschlüsse und Fehlstellen in Glas
sichtbar.
Der erste Schritt bei der Planung einer
Bildverarbeitungsanwendung ist die
Telezentrische Beleuchtungen liefern in
Kombination mit telezentrischen Objektiven in
der Vermessung von festen Objektformen oder
auch von Flüssigkeitsströmen die genauesten
Ergebnisse. (Bild: Vision & Control)
richtige Auswahl der Beleuchtung der
Prüfobjekte. Denn was hier durch eine
fehlerhafte Ausleuchtung an
Informationen verloren geht, kann im
folgenden Bildverarbeitungsprozess nicht
wieder rekonstruiert werden. Die Wahl
der Beleuchtung beeinflusst dabei sowohl die Messgenauigkeit als auch die
Sichtbarkeit der relevanten Objektmerkmale.
Telezentrische Objektive an sich bieten schon viele Vorteile, die hochpräzises Messen
beziehungsweise die Sichtbarmachung von bestimmten Objekteigenschaften
ermöglichen. Doch erst mit der richtigen Beleuchtung können diese Objektive ihr
gesamtes Potenzial voll entfalten.
Dabei können die Prüfobjekte prinzipiell mit allen in der Bildverarbeitung bekannten
Beleuchtungsmethoden untersucht werden. Dies bedeutet, dass sie sowohl im Auflicht
als auch im Durchlicht betrachtet werden können, jeweils mit der Möglichkeit, das Helloder Dunkelfeld auszuwerten.
BILDERGALERIE
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Wahl der Beleuchtung hängt vom Einfallswinkel ab
Die Wahl der Beleuchtung hängt davon ab, unter welchem Einfallswinkel die zu
untersuchenden Objekteigenschaften besonders gut sichtbar werden und ob das
Winkelspektrum eher breit oder sehr schmal sein soll. Diffuse Beleuchtungen bieten ein
großes Winkelspektrum. Sie werden beispielsweise eingesetzt, wenn kleinste
Strukturdetails interessieren, wie Leiterbahnen oder Gerätekennzahlen auf
Leiterplatten.
Dann ist ein Bild mit einer guten Kontrastwiedergabe der informationstragenden
Ortsfrequenzen erforderlich. Dafür wird das Objekt durch eine klassische Abbildung mit
dem telezentrischen Objektiv auf den Sensor abgebildet, wobei die Auflösung von der
numerischen Apertur des Objektivs abhängt. Die wesentliche Kennkurve dafür ist die
Modulationsübertragungsfunktion (MTF), die angibt, mit welchem Kontrastverhältnis die
einzelnen Ortsfrequenzen übertragen werden.
Sollen hingegen gezielt Kanten und Oberflächenstrukturen hervorgehoben werden,
dann müssen gerichtete Beleuchtungen verwendet werden. Eine besonders gerichtete
Form der Beleuchtung ist die telezentrische Beleuchtung (Bild 1). Idealerweise bietet
sie nur paralleles Licht – also Licht mit einem Neigungswinkel von 0° – gegen die
optische Achse an. Real liegt ein sehr kleines Winkelspektrum vor.
Die relevanten Bildinformationen entstehen dann durch den Schattenwurf des Objekts
bzw. von einzelnen Objektstrukturen, was es ermöglicht den Kantenort besonders
kontrastreich und damit genau zu erkennen. Anwendung findet dies, wenn Konturen
von Körpern abgebildet werden sollen, um beispielsweise die Maßhaltigkeit von Teilen
zu prüfen.
Gerichtete Strahlen werden erzeugtund harmonieren mit dem Objektiv
Der prinzipielle Aufbau einer telezentrischen Beleuchtung ist im linken Teil des
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optischen Gesamtsystems in Bild 2 zu sehen. Die Lichtquelle befindet sich im
Brennpunkt F eines optischen Systems, wodurch deren Strahlen nach Unendlich
abgebildet werden und ein paralleler Strahlengang entsteht. Ideal paralleles Licht kann
jedoch nur mit einer Punktlichtquelle erzeugt werden. In der Realität besitzen die
Lichtquellen immer eine gewisse räumliche Ausdehnung.
Typischerweise werden dafür LED mit einer Größe im Bereich von Zehntel Millimetern
verwendet. Sowohl die Abmessungen der Lichtquelle als auch die Brennweite der Optik
beeinflussen dabei die Parallelität der entstehenden Strahlen: Je größer die
Brennweite, desto kleiner ist die Abweichung von der Parallelität aber umso größer ist
die Baulänge der telezentrischen Beleuchtung.
Dies bedeutet, dass im Gegensatz zu einer diffusen Lichtquelle die telezentrische
Beleuchtung eine gewisse Baulänge im Bereich von 100 bis 200 mm hat. Typische
Divergenzwinkel liegen dabei im Bereich von 0,5° bis 1°. Der Durchmesser der
Beleuchtungsoptik muss aufgrund der Parallelität des Strahlengangs mindestens so
groß wie das Prüfobjekt sein.
Das Prinzip der telezentrischen Beleuchtung zeigt: Telezentrische Beleuchtungen
können nur zusammen mit telezentrischen Objektiven verwendet werden. Denn nur
dadurch können die Strahlenbündel für die äußeren Feldpunkte auch durch das
Objektiv abgebildet werden.
Ist der Öffnungswinkel des telezentrischen Objektivs auf die Beleuchtungsapertur der
Lichtquelle abgestimmt, ist er also nicht größer, gelangt nur Licht des Prüfobjekts zur
Abbildung und damit zur messtechnischen Auswertung. Falschlicht kann dadurch
vermieden werden. Lichtquelle und Objektiv müssen dabei gut aufeinander
ausgerichtet sein. Dafür gibt es entsprechende Objektivhalter.
Beleuchtungen bietet ein homogenes Leuchtfeld
Telezentrische Beleuchtungen bieten ein homogenes Leuchtfeld. Im Brennpunkt der
Beleuchtungsoptik entsteht eine Kaustik, also eine Stelle mit minimalem
Lichtdurchmesser. Idealerweise sollte das Prüfobjekt dort positioniert werden.
In der Realität kann aber aufgrund der extrem geringen Divergenz der Strahlen das
Objekt in freiem Abstand vor der Lichtquelle positioniert werden. Erfahrungsgemäß
wirkt sich dies nicht negativ auf das Mess- oder Prüfergebnis aus.
Im Gegensatz zum Auge sieht die Kamera die Lichtquelle nicht. Dies resultiert aus der
telezentrischen Perspektive mit der das Objekt aufgenommen wird. Bild 2 zeigt: Die
Lichtquelle wird in die Brennebene des TZO abgebildet. Das Bild des
Untersuchungsobjekts entsteht aber in einer anderen, vom Objektiv weiter entfernteren
Ebene.
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Das Auge hingegen sieht Objekte mit der entozentrischen Perspektive. Hier liegt die
Eintrittspupille in der Nähe der abbildenden Linse. Fokussiert das Auge auf Unendlich,
so erscheint auf der Netzhaut das Bild der Lichtquelle der telezentrischen Beleuchtung.
Durch die geringe Beleuchtungsapertur, die vom Objektiv aufgenommen wird, besitzt
die Abbildung eine extrem hohe Schärfentiefe. Die Objekte können daher auch in
einem sehr weiten Bereich entlang der optischen Achse um den Arbeitsabstand herum
platziert werden. Dadurch, dass das Licht bereits in der relevanten Richtung angeboten
wird, können die Belichtungszeiten mit dieser Beleuchtung relativ gering gewählt
werden. Im Vergleich zur Abbildung mit diffusem Licht sind diese bei telezentrischer
Beleuchtung teilweise um den Faktor 10 bis 20 geringer.
Im Gegensatz zum Laser zeigen sich keine störenden Speckles
Besonders große Unterschiede in der erforderlichen Belichtungszeit telezentrischer und
diffuser Beleuchtung entstehen bei tiefenausgedehnten Objekten. Für die benötigte
hohe Schärfentiefe muss die Apertur des Objektivs reduziert werden.
Bei diffusem Licht bedeutet dies aber, dass viele der angebotenen Lichtrichtungen
ausgeblendet und für die Bilderzeugung nicht genutzt werden. Kompensiert würde dies
dann mit einer höheren Belichtungszeit. Im Gegensatz zum Laser, der ebenfalls eine
besondere Richtcharakteristik aufweist, zeigen sich bei dieser Beleuchtung keine
störenden Speckles.
Die telezentrische Beleuchtung wird typischerweise zur Maßbestimmung bei
glänzenden oder transparenten Objekten wie Drähten, Metallbolzen, Glasampullen,
Fäden und auch Flüssigkeitsstrahlen eingesetzt. Weiterhin können damit Einschlüsse
und Fehlstellen in Glas beziehungsweise transparenten Materialien sichtbar gemacht
werden.
Angewendet werden diese Beleuchtungen auch in der Deflektometrie, bei der die
Abweichungen von der idealen Form spiegelnder Oberflächen gemessen werden
sollen. Bei der Fehlstellenerkennung wird ausgenutzt, dass immer dann, wenn Licht
aus dem idealen Strahlenverlauf abgelenkt wird, dieses bei der Auswertung fehlt und
die entsprechende Fehlstelle dunkel erscheint.
Auch im Auflicht können so Stege und Gräben auf reflektierenden Oberflächen sowie
Lackdicken bestimmt werden. Breite Anwendung findet dies bereits in der
Halbleiterfertigung.
Anwendung bei der Vermessung glänzender Metallteile
Die folgenden Beispiele zeigen die Anwendung bei der Vermessung glänzender
Metallteile. Bei diesen besteht generell das Problem der richtigen Konturbestimmung,
weil bei diffusem Licht unerwünschte Reflexe mit zur Abbildung gelangen, die den
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Kontrast der Kante extrem schwächen können. Eine genaue Festlegung des
Kantenortes wie beispielsweise anhand eines mittleren Grauwert-Levels ist dann
schwierig beziehungsweise nicht möglich. Bild 3 zeigt die Aufnahmen eines Bolzens mit
diffuser (links) und telezentrischer Beleuchtung (rechts).
Durch den schwachen Kontrast an der Kante bei diffuser Beleuchtung ist die richtige
Lokalisierung des Kantenortes für die Durchmesserbestimmung nicht möglich. Erst die
scharfe Abbildung der Kante mit der telezentrischen Beleuchtung ermöglicht die
Vermessung des Objekts.
Ähnliche Effekte zeigen sich auch bei den folgenden Aufnahmen einer Schraube (Bild
4) und einer Feder (Bild 5). Durch die Reflexe an den Flanken der Schraube lässt sich
der Kantenort mit diffusem Licht nicht sauber bestimmen. Nur mit telezentrischer
Beleuchtung können die Schraubenkonturen sicher erkannt und die entsprechenden
Parameter wie Gewindesteigung abgeleitet werden.
Die Anwendung bei der Vermessung und Inspektion transparenter Materialien zeigen
die folgenden Bilder. In Bild 6 wurde im linken Bild ein Glasstab diffus beleuchtet und
im rechten telezentrisch. Während der Kantenort bei diffusem Licht aufgrund des
undefinierten Kantenverlaufs nicht genau ausgemacht werden kann, zeigen sich bei
telezentrischer Beleuchtung klare Objektkonturen, wodurch das Objekt vermessen
werden kann.
Durch die Parallelität der Strahlen bei telezentrischer Beleuchtung werden nur die
senkrecht auf die Oberfläche treffenden Lichtstrahlen, die den mittleren hellen Streifen
bilden, und das Randlicht außerhalb der Objektkonturen abgebildet. Der gleiche Effekt
zeigt sich bei dem in Bild 7 dargestellten Glasfläschchen. Der leuchtende Streifen in der
Mitte ist hier aufgrund der Lichtausbreitung in der Flasche etwas breiter als beim
massiven Glasstab. Bild 8 zeigt eine Glasplatte, die links im diffusen Durchlicht und
rechts im telezentrischen aufgenommen wurde. Links ist nur ein Kratzer zu erkennen,
während sich rechts deutlich Kratzer, Schmutz, Ausplatzer und Schlieren zeigen.
Zusammenfassend kann man feststellen, dass telezentrische Beleuchtungen zur
Formvermessung glänzender und transparenter Teile und auch von
Flüssigkeitsströmen zum Einsatz kommen. Dabei entstehen im Bild kontrastreiche
Kanten nach dem Schattenwurfprinzip, die dann besonders gut detektiert und somit
genau vermessen werden können.
Weiterhin können damit Oberflächenstrukturen in transparenten Objekten im Durchlicht
sowie Formabweichungen und Schichtdickendifferenzen an reflektierenden Objekten
im Auflicht sichtbar gemacht werden. MM
* Dr.-Ing. Claudia Brückner ist Optikentwicklerin bei der Vision & Control GmbH in
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98527 Suhl.
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Bild 2: Prinzipielles Zusammenwirken von telezentrischer Beleuchtung und telezentrischem Objektiv. (Bild:
Vision & Control)
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Telezentrische Beleuchtungen liefern in Kombination mit telezentrischen Objektiven in der Vermessung
von festen Objektformen oder auch von Flüssigkeitsströmen die genauesten Ergebnisse. (Bild: Vision &
Control)
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Bild 3: Metallbolzen diffus beleuchtet (links) und telezentrisch (rechts). Nur mit der telezentrischen
Beleuchtung sind die Kanten kontrastreich abgebildet und ermöglichen somit eine exakte Bestimmung
des Durchmessers. (Bild: Vision & Control)
Bild 4: Schraube diffus beleuchtet (links) und telezentrisch (rechts). (Bild: Vision & Control)
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Bild 5: Feder diffus beleuchtet (links) und telezentrisch (rechts). (Bild: Vision & Control)
Bild 6: Glasstab diffus beleuchtet (links) und telezentrisch (rechts). (Bild: Vision & Control)
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Bild 7: Glasfläschchen diffus beleuchtet (links) und telezentrisch (rechts). (Bild: Vision & Control)
Bild 8: Glasplatte mit Kratzern, Schmutz und Ausplatzern diffus beleuchtet (links) und telezentrisch
(rechts). (Bild: Vision & Control)
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