Light in Machine Vision
Wie Sie die richtige Beleuchtung finden
Die Beleuchtung in einem Vision System wird oft bei der Planung vernachlässigt. Dabei ist sie entscheidend für Bildqualität und Effizienz. Ohne die richtige Lichtquelle entstehen Reflexionen, zu dunkle oder überbelichtete Bereiche. Erfahren Sie, welche Lichtquelle für Ihr System geeignet ist und worauf Sie bei der Auswahl achten sollten.
Letzte Aktualisierung: 09.05.2023
Lesedauer: ca. 11 Minuten
Beleuchtungs-Techniken für Machine Vision
Verschiedene Beleuchtungs-Techniken erzeugen unterschiedliche Abbildungen des Objekts in der Kamera und heben dadurch unterschiedliche Objekteigenschaften hervor. Mit unterschiedlichen Beleuchtungs-Techniken können verschiedene Prüfaufgaben abgedeckt werden.
Frontlicht-Beleuchtung
Die Kamera und die Lichtquelle befinden sich in Bezug auf das betrachtete Objekt auf der gleichen Seite, sodass das Licht von der Oberfläche des Objekts reflektiert wird. Diese Technik eignet sich insbesondere für matte, wenig reflektierende Oberflächen. Bei stark reflektierenden Oberflächen werden zusätzliche Diffusor-Folien oder besonders diffuse Beleuchtungs-Typen eingesetzt.
Durchlicht-Beleuchtung
Das Objekt wird zwischen Kamera und Licht positioniert, wobei die Beleuchtung gegenüber der Kamera angeordnet ist. Das Objekt wird durchleuchtet und erzeugt eine teilweise oder vollständige Abschattung des Lichtes in der Kamera. Dadurch ist nur noch der Umriss erkennbar – z. B. um Abmessungen, Objektumrisse, Aussparungen oder Füllstände für Prüf- und Messaufgaben präzise zu bestimmen.
Dunkelfeld-Beleuchtung
Das Licht wird flach auf das Objekt eingestrahlt, sodass nur Bereiche, die in einem bestimmten Winkel zur Kamera liegen, Licht reflektieren. Dadurch bleibt der Großteil des Bildes dunkel, während Kanten, Kratzer, Gravuren und andere Oberflächendefekte durch helle Reflexionen deutlich sichtbar werden. Diese Technik erhöht die Kontrastsichtbarkeit von Defekten erheblich.
Beleuchtungs-Typen in Machine Vision
Die Wahl der richtigen Beleuchtung ist entscheidend für die Effektivität einer Inspektionsaufgabe: Für das Erkennen von Rissen werden andere Beleuchtungen verwendet als für das Bestimmen von Füllständen. In der industriellen Bildverarbeitung kommen LED-Lichter am häufigsten zum Einsatz. Diese sind preiswerter und effizienter als z. B. Halogenlampen oder Leuchtstoffröhren.
Balken-Beleuchtung
Das Licht kommt aus einem länglichen Balken und leuchtet das Objekt gleichmäßig aus. Es eignet sich für nahezu alle Prüfaufgaben, z. B., um lange Werkstücke zu inspizieren und Objektkanten hervorzuheben. Außerdem lassen sich mit Balkenlichtern gezielt nur bestimmte Teile eines Objekts beleuchten. Es ist möglich, mehrere Balkenlichter zu kombinieren, sodass das Objekt von verschiedenen Seiten ausgeleuchtet wird. Da Balken-Beleuchtung in einem flexiblen Winkel zum Objekt ausgerichtet werden kann, eignet sie sich auch für Dunkelfeld-Anwendungen.
Ring-Beleuchtung
Ein Ringlicht ist kreisförmig um das Objektiv angeordnet und sorgt für eine gleichmäßige, nahezu schattenfreie Ausleuchtung des Prüflings. Aufgrund seiner vielseitigen Einsetzbarkeit zählt es zu den Standardbeleuchtungen in der industriellen Bildverarbeitung. Ringlichter kommen häufig bei Anwendungen der Montageüberwachung, Qualitätskontrolle und optischen Inspektion zum Einsatz, da sie eine homogene Ausleuchtung unterschiedlichster Bauteilgeometrien ermöglichen. Für die gezielte Hervorhebung von Oberflächenstrukturen, Kratzern oder anderen Defekten sind häufig Dunkelfeld-Beleuchtung oder andere Beleuchtungs-Techniken besser geeignet.
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Hintergrund-Beleuchtung
Bei diesem Beleuchtungs-Typ wird das Objekt gleichmäßig von hinten beleuchtet. Damit werden Umrisse gut aufgenommen oder das Objekt durchleuchtet. So lassen sich z. B. Löcher, Blasen oder andere Materialfehler mit Einfluss auf die Lichtdurchlässigkeit sehr gut auffinden und darstellen. Auch bei der Qualitätskontrolle von Etiketten und bedrucktem Papier ist die Hintergrund-Beleuchtung ein wichtiger Standard. Jedoch gehen sämtliche Informationen zur Oberflächenbeschaffenheit verloren.
Horizontale Ring-Beleuchtung
Bei diesem Beleuchtungs-Typ wird das Objekt im Unterschied zu normalen Ring-Beleuchtungen nicht direkt gerichtet beleuchtet, sondern seitlich angestrahlt. So wird vor allem an Kanten Licht in die Kamera reflektiert. Das sorgt dafür, dass Kontraste stark dargestellt und Kratzer gut sichtbar werden. Besonders bei transparenten Objekten wie Fenstern oder Folien ist die Dunkelfeld-Beleuchtung wichtig, da durch die seitliche Lichtquelle keine Schatten oder Reflexionen entstehen.
Helligkeit der Beleuchtung
Die Helligkeit der Beleuchtung ist entscheidend für eine zuverlässige Bildaufnahme. Zu wenig Licht führt zu verrauschten oder dunklen Bildern. Zu viel Licht kann Details überstrahlen und Informationen verlieren lassen. Die optimale Helligkeit sorgt für einen hohen Kontrast und eine gleichmäßige Ausleuchtung des Prüfobjekts. Sie bildet die Basis für stabile und reproduzierbare Messergebnisse in Vision Systemen.
Zu wenig Licht
Zu wenig Licht verursacht dunkle, verrauschte Bilder und erschwert die Detektion feiner Details. Konturen und Strukturen werden unscharf oder gehen ganz verloren. Die Bildauswertung wird unzuverlässig und Fehler in der Inspektion nehmen zu.
Zu viel Licht
Zu viel Licht führt zu Überbelichtung. Wichtige Strukturen und Informationen können dadurch verloren gehen. Helle Flächen erscheinen ohne Zeichnung, und Reflexionen können die Bildqualität zusätzlich beeinträchtigen. Das Risiko von Fehlinterpretationen steigt.
Light in Machine Vision gezielt zur Qualitätssicherung nutzen
Bei der Bildverarbeitung können Sie sich noch weitere Eigenschaften von Licht zu Nutze machen. Je nachdem, in welchen Wellenlängen es auf verschiedene Materialien auftrifft, wird es gebrochen, absorbiert, geleitet oder reflektiert. Die Wahl der richtigen Wellenlänge bzw. Lichtfarbe spielt eine zentrale Rolle für optimale Bildergebnisse.
Gezielte Kontraste durch farbiges Licht
Die Lichtfarbe bestimmt, wie Oberflächen erscheinen, da sie den Kontrast steuern. Komplementärfarben werden abgedunkelt, gleiche Farben erscheinen hell. Weißes Licht eignet sich mit Farbkameras für natürliche Farbdarstellung, während blaues oder rotes Licht mit Monochrom-Kameras Details hervorheben oder ausblenden kann.
Nicht sichtbare Wellenlängen: IR-Licht
Licht ist für das menschliche Auge im Bereich von 400 nm bis 700 nm sichtbar, da es in diesem Spektrum verschiedene Farben annimmt. Licht jenseits dieses sichtbaren Spektrums kann Merkmale zum Vorschein bringen, die für Menschen sonst unsichtbar sind: So lassen sich Druckstellen an Obst besonders gut mit Infrarot (IR)-Licht detektieren. Dafür eignen sich SWIR-Kameras und spezielle SWIR-Beleuchtungen.
Nicht sichtbare Wellenlängen: UV-Licht
Ultraviolettes Licht (UV) unter 400 nm macht durch Fluoreszenz oder veränderte Reflexion verborgene Details sichtbar – etwa Sicherheitsmerkmale, Klebstoffreste oder Haarrisse. Mit UV-Kameras und spezieller UV-Beleuchtung lassen sich solche Strukturen effizient und zuverlässig erkennen.
Gezielte Licht-Manipulation
Durch gezielte Licht-Manipulation lassen sich Oberflächenstrukturen sichtbar machen, Reflexe kontrollieren und Kontraste verstärken. Mit geeigneten Beleuchtungs-Strategien wird das Licht exakt an die Prüfaufgabe angepasst und erhöht so Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit in der Qualitätssicherung.
Diffuse Beleuchtung
Diffuse Beleuchtung verteilt das Licht gleichmäßig über das Prüfobjekt und minimiert dadurch störende Schatten und Reflexionen. Besonders bei glänzenden, strukturierten oder unebenen Oberflächen werden Details sichtbar, die bei gerichteter Beleuchtung oft verloren gehen. Typische Anwendungen sind die Inspektion von Kunststoffteilen, Leiterplatten oder metallischen Oberflächen. Für die Umsetzung kommen Diffusoren, Lichtkuppeln oder spezielle Flächenleuchten zum Einsatz.
Polarisierte Beleuchtung
Polarisierte Beleuchtung reduziert gezielt störende Reflexionen oder hebt sie hervor, indem Polarisationsfilter an Lichtquelle und Kamera eingesetzt werden. So lassen sich Spiegelungen auf nicht-metallischen Oberflächen wie Glas, Kunststoff oder lackierten Flächen deutlich minimieren (bei metallischen Oberflächen ist die Wirkung häufig eingeschränkt). Das verbessert die Detektion von Kratzern, Rissen oder anderen Oberflächenfehlern und erhöht den Bildkontrast für eine zuverlässige Auswertung.
Koordination Ihrer Beleuchtung
Beleuchtung ist nur ein Teil des Vision Systems. Jedoch ist die Wahl der Beleuchtung ausschlaggebend für die Bildqualität: Die Qualität der Lichtquelle kann nicht durch andere Komponenten ausgeglichen werden. Befassen Sie sich daher bei der Zusammenstellung Ihres Vision Systems ausgiebig mit dem Thema Beleuchtung.
So wählen Sie Ihre Beleuchtung
Zunächst grenzen Sie die Objektmerkmale ein, die Sie sichtbar machen möchten. Weiterhin sind verschiedene Eigenschaften des betrachteten Objektes wichtig. Aus welchem Material besteht es? Reflektiert oder absorbiert es das Licht? Um welche Struktur, Geometrie und Farbe geht es? Darüber hinaus beeinflussen der Bewegungszustand sowie gegebene Lichtverhältnisse und der Abstand zum Objekt die Wahl der Beleuchtung.
Anhand dieser Faktoren können Sie die Beleuchtung treffsicher bestimmen. Zur zusätzlichen Unterstützung gibt Ihnen unser Illumination Selector individuelle Produktempfehlungen. Er führt Sie Schritt für Schritt zu einer Auswahl an abgestimmten Beleuchtungen.
Unsere Beleuchtungs-Produkte
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Häufig gestellte Fragen zur richtigen Beleuchtung
Weißes Licht wird eingesetzt, wenn eine möglichst natürliche Farbwiedergabe erzielt werden soll. Farbiges Licht wie blau, rot oder Infrarot kommt meist mit Monochrom-Kameras zum Einsatz, um spezifische Merkmale durch Kontrastunterschiede besser sichtbar zu machen.
Infrarot-Licht kann Merkmale sichtbar machen, die für das menschliche Auge unsichtbar sind. Dadurch eignet es sich besonders für Arbeitsplätze, an denen sichtbares Licht stören würde.
Je nach Lichtfarbe erscheinen bestimmte Farben auf dem Prüfobjekt heller oder dunkler. Zum Beispiel hebt blaues Licht blaue und weiße Flächen hervor, während rote und grüne Flächen dunkler erscheinen.
Durch die Beleuchtung aus vielen verschiedenen Winkeln, etwa mit einem Ringlicht, werden Kratzer ausgeblendet und andere wichtige Merkmale wie Aufdrucke oder Farben ohne störende Schatten sichtbar gemacht.
Bei stark reflektierenden Objekten sollten diffuse Lichtquellen oder zusätzliche Diffusor-Folien eingesetzt werden, um störende Reflexionen zu minimieren und eine gleichmäßige Ausleuchtung zu erreichen.