Kollimierte Lichtquelle
Vorteile telezentrischer Hintergrundbeleuchtungen
Eine der häufig angewandten Beleuchtungsmöglichkeiten ist die telezentrische Beleuchtung, im speziellen die telezentrische Hintergrundbeleuchtung. Im folgenden Artikel wird erläutert, worum es sich dabei handelt und wie mit ihrer Hilfe die Bildqualität im Vergleich zu standardmäßiger diffuser Hintergrundbeleuchtung verbessert werden kann.
Bild 1 | (links) Klare Silhouette der Kante durch telezentrische Hintergrundbeleuchtung.
(rechts) Geringer Kontrast durch diffuse Hintergrundbeleuchtung.
(Bild: Edmund Optics)
In der Optik ist die Telezentrie eine Eigenschaft von bestimmten mehrelementigen Linsengruppen, bei denen die Hauptstrahlen im Objekt- und/oder Bildraum kollimiert und parallel zur optischen Achse verlaufen. Bei telezentrischen Objektiven ist ein Hauptmerkmal eine konstante Vergrößerung, unabhängig von Bild- bzw. Objektposition. So wird eine präzise Vermessung der zu inspizierenden Objekte ermöglicht, die bei entozentrischen Objektiven aufgrund des perspektivischen Fehlers nicht möglich wäre. Auch in der Beleuchtung können Strahlen kollimiert und parallel zur optischen Achse verlaufen und so eine telezentrische Beleuchtung erzeugen, bzw. eine telezentrische Hintergrundbeleuchtung, wenn ein Objekt von hinten beleuchtet wird.
Bild 2 | Optik zur Kollimation von Faser oder LED zur Erzeugung einer telezentrischen Beleuchtung. (Bild: Edmund Optics)
Es gibt im Wesentlichen zwei Möglichkeiten die telezentrische Hintergrundbeleuchtung zu realisieren: Zum einen besteht die Option eine Optik zu verwenden, die die Strahlung einer Faser oder LED kollimiert und auf das Objekt lenkt. In diesem Fall hätte die Beleuchtung eine kreisförmige Geometrie und die Leuchtfleckgröße würde dem Durchmesser des vordersten Linsenelements der Beleuchtungsoptik entsprechen. Zum anderen gibt es die Option eine quadratische LED Beleuchtung zu verwenden. Wird das Licht der LEDs von der Seite eingekoppelt, umgelenkt und kollimiert, entsteht eine telezentrische Beleuchtung mit sehr flacher Bauform, die auch in großen Größen (z.B. mit Leuchtflächen bis zu 300mm Kantenlänge) angeboten werden kann. Die Telezentrie erzeugt bei der Hintergrundbeleuchtung eine Silhouette des Objekts mit hohem Kontrast. Bei diffuser und nicht kollimierter Hintergrundbeleuchtung entsteht dagegen eine Silhouette mit geringerem Kontrast und diffusen Rändern, da die Lichtstrahlen sich in alle Raumrichtungen ausbreiten und diffuse Reflexionen erzeugen. Licht aus einer kollimierten Lichtquelle, wie im Falle der telezentrischen Beleuchtung, trifft sehr gerichtet auf das Objekt, es geht wenig Licht durch Ausbreitung oder Reflexion verloren. Daher ist die telezentrische Beleuchtung deutlich effektiver und intensiver als eine diffuse Lichtquelle und führt somit auch zu kürzeren Belichtungszeiten in der Bildverarbeitung.
Einsatz in der Praxis
Bild 3 | Flache telezentrische
Hintergrundbeleuchtung mit
kollimierten LEDs. (Bild: Advanced Illumination)
Die telezentrische Hintergrundbeleuchtung kann ideal für eine Bilderfassung mit hohen Geschwindigkeiten, in Automatisierungsanlagen und zur Kantendetektion eingesetzt werden, um nur einige mögliche Einsatzgebiete zu nennen. Die logische Fortsetzung der telezentrischen Beleuchtung zur Abbildung der Silhouette wäre die Verwendung eines telezentrischen Messobjektivs. Da aufgrund des telezentrischen Strahlverlaufs die Frontlinsen der Objektive und die Fläche der Beleuchtung immer mindestens so groß sein müssen wie das Objekt, muss beachtet werden, dass sehr große Objekte auch zu großen Frontlinsen der Objektive sowie baugroßen Beleuchtungen führen. Bild 1 verdeutlicht den Unterschied zwischen der telezentrischen und diffusen Hintergrundbeleuchtung. In beiden Fällen wurde die Aufnahme mit einem telezentrischen Messobjektiv mit 0,6X Vergrößerung gemacht. Während in Bild 1a mit der telezentrischen Beleuchtung die Kanten des zu inspizierenden Objekts klar hervortreten und hochpräzise vermessen werden können, verschwimmen die Kanten in Bild 1b. Eine genaue Vermessung des Objekts wäre hier weitaus schwieriger und würde zu ungenaueren Ergebnissen führen.
Fazit
Auch wenn die Baugrößen von telezentrischem Objektiv und telezentrischer Beleuchtung einen gewissen Nachteil haben, überwiegen die Vorteile und machen die Telezentrie in bestimmten Bildverarbeitungsbereichen unabdingbar. Um auf der Beleuchtungsseite Gewicht und Bauplatz einzusparen, empfiehlt sich die Verwendung der oben erwähnten flachen telezentrischen LED Hintergrundbeleuchtung und auch auf der Objektivseite existieren baukleine Objektivvarianten für den Einsatz bei begrenztem Platzangebot.
