Neue effektive diffuse LED-Beleuchtungen für große Bereiche

Advanced illumination - diffuse Beleuchtungslösungen für Machine-Vision, industrielle Bildverarbeitung und Biomedizin
Abb. 2 Flache diffuse LED-Leuchte (FD0808) (PresseBox) (Olching, ) Diffuse Beleuchtung hat historisch verschiedene Formen angenommen. Sie wird seit über einem Jahrhundert von Fotografen verwendet, um gefällige Portraits zu erzeugen - Bilder, die frei sind von starker Blendwirkung oder Spiegelreflexionen. Sie wird seit vielen Jahren mit ganz ähnlichem Ziel auch effektiv in Machine Vision eingesetzt, wenn auch in kleinerem Umfang - um einen gleichmäßigen Kontrast in Bereichen zu bieten, die zu ungleichmäßiger Reflektivität gegenüber Hellfeld-Punktlichtquellen neigen.

Die diffuse Beleuchtung, wie sie gegenwärtig in Machine-Vision-Anwendungen eingesetzt wird, kann als vollständige Hellfeldbeleuchtung klassifiziert werden, im Gegensatz zu partieller Hellfeldbeleuchtung, die ansonsten als gerichtete Punktbeleuchtung bekannt ist. Das der vollständigen Hellfeldbeleuchtung zugrunde liegende Konzept besteht darin, dass Licht aus einem großen Bereich abgestrahlt wird und aus vielen verschiedenen Richtungen und damit in unterschiedlichen Winkeln auf die Oberfläche auftrifft (Abb. 1a).
Im Vergleich dazu steht eine gerichtete partielle Hellfeldlichtquelle (Abb. 1b). Wie in Abb. 1a gezeigt, beleuchtet speziell eine diffuse Domeleuchte aus fast einer ganzen Halbkugel; daher wird hier von einem großen Raumwinkel gesprochen. Die axiale diffuse Beleuchtung, ebenfalls eine vollständige Hellfeldbeleuchtung, schließlich ist eine Hybridtechnik, bei der gleichmäßiges Licht aus einem großen Bereich weitgehend direkt von oben auf das Prüfstück gestrahlt wird (Abb. 1c).

Während die diffuse Domebeleuchtung bei spiegelnden, gewölbten und topografischen Oberflächen sehr effektiv ist, die axiale diffuse Beleuchtung jedoch bei spiegelnden, aber flachen Oberflächen, weisen beide Techniken sehr spezifische Anwendungskriterien auf, die unter einigen Beleuchtungsbedingungen eine Herausforderung darstellen können. Um eine ausreichende Intensität und Gleichmäßigkeit des Lichts aufrechtzuerhalten, müssen diese Leuchten nahe dem Prüfstück platziert werden, und die Brennweite der Linse muss ebenfalls genau abgestimmt sein, um Vignettierung oder den „Bullaugen-Effekt“ zu verhindern - dies gilt insbesondere für Domebeleuchtung. Außerdem lassen sich diese Leuchten nicht gut an große Flächen anpassen und können teuer und schwer erhältlich sein, wenn eine große Version erforderlich ist.

Im Rahmen der Fortschritte in der Beleuchtung wurde eine neue diffuse Lichtquelle entwickelt, die flache diffuse Leuchte (FD0808), die einige der anwendungstechnischen Mängel der anderen diffusen Hellfeldbeleuchtungstechniken behebt. Es handelt sich um eine hoch diffuse Lichtquelle mit einem Sichtfenster in der Mitte, das die Anwendung als vorderes oder Projektionslicht erlaubt (Abb. 2).

Bilder von Prüfstücken verdeutlichen die Vorteile der Anwendung der flachen diffusen Leuchte im Vergleich zu anderen diffusen Beleuchtungen und einer gerichteten Punktlichtquelle mit Standardgeometrie - einer Koaxial-Ringleuchte. Die korrekte Ausleuchtung von Leiterplatten kann Schwierigkeiten bereiten, insbesondere bei großen Versionen oder Versionen mit ungleichmäßig geformten Komponenten wie Kondensatoren oder Kühlkörpern. Abb. 3 verdeutlicht die Unterschiede zwischen den drei diffusen Beleuchtungstechniken - Dome, axial und flach: Es zeigt sich, dass die Dome- und die flache Technik für relativ kleine Bereiche der Leiterplatte gleichermaßen gut funktionieren (Abb. 3a und 3b), doch sogar die große diffuse Domebeleuchtung ist bei größeren Sichtfeldern weniger effektiv (Abb. 3c und 3d).

Abb. 4 verdeutlicht die Anwendung der 5 cm x 5 cm großen axialen diffusen Leuchte in einer Situation, in der die Größe und ein festgelegter Arbeitsabstand von kritischer Bedeutung sind.

Ein weiteres üblicherweise schwierig auszuleuchtendes Prüfstück stellt die biomedizinische Kultur oder Probenmulde dar. Diese Proben befinden sich oft in einer Wanne mit einer Matrix von Mulden von unterschiedlicher Größe und Tiefe in regelmäßigem Abstand. In diesem Beispiel sind die Mulden relativ klein (2,5 mm breit) und flach (1,5 mm tief), mit einem Raster von etwa 5 Mulden pro 2,5 cm in X- und Y-Richtung. Außerdem weist jede Mulde einen mit Laser eingravierten 2D-Matrixcode auf, der im Rahmen einer von der US-amerikanischen Zulassungsbehörde für Medizinprodukte (FDA) geforderten Probenkorrelation und Historienerstellung von einem Vision-System gelesen und geprüft werden muss.

Zur Verdeutlichung ist der 2D-Matrixcode in Nahaufnahmen gezeigt (siehe Abb. 5), die notwendig sind, damit der Code mit einer CCD-Kamera mit Standardauflösung gelesen und verifiziert werden kann. Der gezeigte Arbeitsabstand ist typisch für eine effektive diffuse und Koaxial-Punktbeleuchtung. Wie man sehen kann, ist dieser kurze Arbeitsabstand (5 cm) ideal für eine effektive Beleuchtungsgeometrie, stellt jedoch keine effiziente Prüfstrategie dar, da für die 7,5 cm x 13 cm große Wanne mehrere X- und Y-Verfahrungen notwendig wären, um die gesamte Probe zu prüfen.
Wird dasselbe Beleuchtungsschema auf eine Sicht mit längerem Arbeitsabstand angewandt, bei der nur 1−2 Frames pro Probenwanne erforderlich wären, wird deutlich, dass nur die flache diffuse und die größere Domebeleuchtung effektiv sind (Abb. 6d bzw. 7a).

Das Bild in Abb. 7a schließlich zeigt, dass das diffuse Dome-/Zylinderkonzept die Zellmatrizen effektiv beleuchtet, aber dass für größere Probenfelder doch größere Domeleuchten nötig sind, die sehr teuer sind und oft lange Bauzeiten erfordern.

Die FD0808 gehört zur „erweiterbaren“ Serie, Ai bietet diese LED-Beleuchtung in 2,5-cm-Schritten von 10 cm x 10 cm bis zu einer Größe von über 91,5 cm x 91,5 cm an. Die Abb. 7b zeigt die gesamte Muldenwanne, die mit einem sehr großen Arbeitsabstand von FD0808 beleuchtet wurde. Diese Leuchte bietet in Verbindung mit einer hoch auflösenden CCD- oder CMOS-Kamera eine äußerst zuverlässige und effiziente Prüflösung.

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