Рассеянная или коллимированная задняя подсветка для измерения размеров

Две задние подсветки с одинаковой излучающей площадью и одинаковой яркостью могут давать измеримо разные диаметры на одной и той же детали. Разница не в световом потоке; она — в угловой расходимости, и проявляется она как смещающийся край, когда деталь становится толще.

Эта заметка объясняет, откуда берётся эта погрешность, насколько она велика, и единственное механическое условие, которое определяет, можно ли вообще использовать коллимированную заднюю подсветку.

Край определяется пропусканием, а не внешним видом

Задняя подсветка превращает деталь в силуэт. Край в изображении — это место, где пропускание падает почти со 100 % почти до 0 %, и порог, поставленный на этот переход, задаёт измеряемую границу. Именно поэтому задняя подсветка — выбор по умолчанию для отверстий, диаметров, зазоров и сопряжений: краю безразличны чистота поверхности, цвет и окисление — важна только геометрия.

Это также означает, что всё измерение держится на форме этого перехода. Если переход резкий и неподвижный, порог каждый раз попадает в одно и то же место. Если он размыт или асимметричен, порог сползает с экспозицией, фокусировкой и толщиной детали — и повторяемость, которая на заводе выглядела приемлемой, в производстве уплывает.

Где рассеянная подсветка теряет край

Рассеянная задняя подсветка излучает в широком угловом диапазоне, как правило в десятки градусов. Для тонкой детали это почти не имеет значения. Для детали толщиной t лучи, приходящие под углом α, освещают боковую стенку, и стенка становится частью светлой зоны. Измеряемый край оказывается где-то на стенке, а не на истинном силуэте, и погрешность растёт примерно как t·tanα.

Переведём в числа. При t = 2 mm и α = 30° t·tanα ≈ 1.15 mm. Это не тонкость освещения; это миллиметровая погрешность в измерении, допуск на которое может составлять десятки микрометров. Даже при α = 10° оценка даёт около 0.35 mm. Оценка не учитывает дифракцию и аберрации объектива, поэтому относитесь к ней как к нижней границе проблемы, а не как к поправке, которую нужно применять.

Для тонкого листа, плёнки и штампованных деталей толщиной в несколько десятых долей миллиметра тот же расчёт даёт несколько микрометров, и рассеянная подсветка вполне достаточна — при условии, что излучатель находится близко к детали, а фон равномерен.

Что меняет коллимированная подсветка

Коллимированная задняя подсветка излучает почти параллельный свет, как правило в пределах градуса-двух. Лучи распространяются вдоль оси, поэтому боковая стенка толстой детали никогда не освещается: силуэт определяется только передней гранью, и измеряемый край больше не зависит от толщины. Переход также становится резче, потому что геометрическое размытие из-за угловой расходимости исчезает.

Есть и механическая цена. Чтобы заполнить всё поле параллельным светом, входной зрачок объектива должен быть не меньше поля зрения. У стандартного объектива C-mount зрачок составляет от нескольких миллиметров до пары сантиметров, поэтому условие сразу не выполняется. Телецентрический объектив выносит зрачок в бесконечность и на практике обеспечивает апертуру, достаточную для приёма всего поля — поэтому коллимированные задние подсветки и телецентрические объективы специфицируются вместе, и поэтому коллимированная подсветка со стандартным объективом ведёт себя как дорогая рассеянная.

Такое сочетание — не маркетинговая условность; это условие, при котором параллельные лучи вообще можно собрать. Это также значит, что апертуру подсветки следует выбирать по самому большому полю, с которым будет работать ячейка, а не по текущему рецепту.

Стабильность порога и бюджет экспозиции

При чистом силуэте оставшиеся переменные — стабильность яркости и экспозиция. Драйвер со стабилизированным током здесь важнее, чем для ячейки с передней подсветкой: пульсация яркости в 5 % слегка смещает порог в каждом кадре, и при допуске 10 µm этого достаточно, чтобы получить бимодальное распределение измерений, которое никто не может объяснить.

У экспозиции есть второе ограничение — в приложениях с движением. Смаз движения равен скорости, умноженной на время экспозиции; удержание его ниже трети пикселя задаёт максимальную экспозицию для данной линейной скорости. Именно здесь освещение и механика перестают быть раздельными: если требуемая экспозиция короче, чем позволяет доступный свет, ответ — более яркий излучатель, более короткое рабочее расстояние или более медленная ось, а не большее усиление, которое добавляет шум ровно там, где решается порог края.

Длина волны, дифракция и переход края

Более короткие длины волн дают более узкое дифракционное размытие при заданной апертуре, поэтому синяя подсветка даёт чуть более резкий край, чем красная, при той же геометрии. Эффект мал по сравнению с погрешностью угловой расходимости, описанной выше, но он бесплатен и имеет значение, когда требование находится на пределе возможностей оптики.

Длина волны также взаимодействует с материалом. Кремний прозрачен в ближнем инфракрасном диапазоне, поэтому пластину или кристалл можно контролировать на просвет в NIR так, как видимый свет не позволяет. Красный проникает в некоторые покрытия и тёмные пластмассы лучше, чем синий. Всё это не меняет геометрического аргумента; это меняет то, из чего состоит силуэт.

Как выбирать между двумя вариантами, по порядку

• Оцените t·tanα для фактической толщины и фактического угла излучателя. Если результат с запасом укладывается в допуск, рассеянная подсветка — более простой, дешёвый и терпимый выбор.
• Если оценка приближается к допуску, переходите к коллимированной — и перед заказом убедитесь, что объектив телецентрический.
• Проверьте площадь излучателя относительно самого большого поля, с запасом. Слишком маленькая подсветка даёт спад яркости у края — это проблема яркости, которая выглядит как проблема края.
• Подтвердите бюджет экспозиции на линейной скорости и выберите контроллер со стабилизированным выходным током и определённой синхронизацией запуска, а не простой источник питания.
• Проверяйте на самой толстой и самой тонкой деталях семейства, а не только на номинальной. Чувствительность к толщине — это как раз то, о чём этот выбор.

Ассортимент POMEAS охватывает обе стороны этого решения: телецентрические параллельные задние подсветки с апертурами от 30 mm до 265 mm, включая версии с прямым углом для ячеек, где за деталью нет места, и параллельные светильники высокой равномерности для обычной силуэтной работы. Линейка освещения перечисляет их вместе с контроллерами, а оптическая сторона закрыта телецентрическим объективом LTC05-40 для небольших полей.

Если измерение к тому же должно переживать смену увеличения — зум-ячейка, измеряющая детали нескольких размеров — бюджет освещения нужно пересчитывать на каждом шаге, потому что облучённость изображения падает примерно пропорционально квадрату увеличения. Это взаимодействие рассмотрено в материале освещение для телецентрических измерений, а сам механизм размытия края — в почему край микроотверстия размывается при задней подсветке.

Часто задаваемые вопросы

Всегда ли коллимированная подсветка точнее?

Для толстых деталей — да, она устраняет зависящую от толщины погрешность края. Для тонкого листа и плёнки погрешность угловой расходимости и так составляет несколько микрометров, так что выигрыш может не оправдать ни стоимость, ни требование к телецентрическому объективу.

Можно ли использовать коллимированную подсветку со стандартным объективом C-mount?

Только в ограниченном смысле. Зрачок объектива намного меньше поля, поэтому большая часть параллельного света теряется, и изображение ведёт себя как при рассеянной подсветке. Сочетание имеет смысл только с телецентрическим объективом, зрачок которого может принять всё поле.

Какую погрешность вносит рассеянная подсветка на детали толщиной 3 mm?

Если использовать t·tanα как геометрическую оценку, 3 mm при 30° даёт примерно 1.7 mm; при 10° — примерно 0.5 mm. Обе цифры не учитывают дифракцию и эффекты объектива, поэтому они показывают масштаб проблемы, а не поправку, которую нужно вычесть.

Влияет ли цвет подсветки на измеренный диаметр?

Он влияет на ширину перехода края через дифракцию и через хроматическую коррекцию объектива. Более короткие длины волн дают чуть более резкий край. Эффект намного меньше погрешности угловой расходимости, но для повторяемой метрологии стоит зафиксировать одну длину волны.

Почему измерение уплывает между сменами?

Обычно это дрейф яркости или температурный дрейф, смещающий порог, либо изменение толщины деталей внутри партии. Зафиксируйте ток, запишите экспозицию и сверьте оценку t·tanα с фактическим диапазоном толщин, прежде чем корректировать пороги.

Является ли более широкая апертура более дешёвым способом сделать край резче?

Она делает изображение резче, но уменьшает глубину резкости, и при силуэте на просвет деталь может оказаться вне оставшейся глубины. Для неподвижной детали на плоской оснастке такой компромисс иногда приемлем; для движущегося полотна — обычно нет, поэтому край лучше фиксировать в геометрии освещения, а не в апертуре.

Что прислать для экспертной оценки освещения

Пришлите семейство деталей с его самым тонким и самым толстым представителями, допуск на измеряемый размер, объектив и камеру, если они уже выбраны, пространство за деталью и скорость линии, если деталь движется. Эти пять пунктов определяют, будет ли ответом рассеянная подсветка, коллимированная или совершенно иная оптическая схема.