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Technologie von optischen Filtern

Optische Filter sind ein wesentlicher Bestandteil moderner Bildverarbeitungssysteme. Sie beeinflussen gezielt das einfallende Licht und tragen dazu bei, dass die Kamera vor allem die Informationen erfasst, die für die jeweilige Prüfaufgabe relevant sind. So können beispielsweise störende Reflexionen oder Einflüsse durch Umgebungslicht reduziert werden, während Kontraste deutlicher hervortreten.

Was ist ein optischer Filter?

Optische Filter werden im Strahlengang von Kamera oder Beleuchtung eingesetzt und beeinflussen, welche Anteile des Lichts passieren. Während bestimmte Wellenlängenbereiche durchgelassen werden, lassen sich andere blockieren oder abschwächen. Welche Wellenlängen das betrifft, hängt vom jeweiligen Filtertyp ab. Bandpassfilter begrenzen das Licht auf einen schmalen Spektralbereich, Langpass- und Kurzpassfilter lassen Wellenlängen ober- beziehungsweise unterhalb eines festgelegten Grenzwerts passieren. Polarisationsfilter beeinflussen hingegen nicht die Wellenlänge, sondern die Schwingungsrichtung des Lichts.

So erreicht vor allem der Spektralbereich die Kamera, der für die jeweilige Prüfaufgabe relevant ist. Störendes Umgebungslicht kann dadurch ausgeblendet und Reflexionen reduziert werden. Gleichzeitig lassen sich Materialeigenschaften wie Farbunterschiede oder Oberflächenstrukturen hervorheben, die ohne den passenden Filter nur schwer oder gar nicht sichtbar wären.

Wann werden optische Filter eingesetzt?

Merke: Nicht die Kamera allein erzeugt den Kontrast – erst das Zusammenspiel von Beleuchtung und Filter sorgt für ein optimal auswertbares Bild.

Kontraste erhöhen

Relevante Merkmale deutlicher hervorheben

Reflexionen minimieren

Störende Spiegelungen auf Oberflächen reduzieren

Wiederholgenauigkeit verbessern

Konstante Bedingungen für die Bildaufnahme schaffen

Materialeigenschaften sichtbar machen

Farbunterschiede oder Oberflächenstrukturen hervorheben

Störendes Umgebungslicht reduzieren

Fremdlicht gezielt unterdrücken

Wichtige Kenngrößen optischer Filter

Transmission

Die Transmission gibt an, wie viel Licht den Filter passiert. Je höher die Transmission, desto mehr nutzbares Licht erreicht die Kamera.

Sperrbereich

Der Sperrbereich bezeichnet den Teil des Spektrums, den der Filter blockiert. Eine hohe Sperrwirkung reduziert unerwünschte Lichtanteile und damit den Einfluss von Fremdlicht auf die Bildaufnahme.

Halbwertsbreite (FWHM)

Die Halbwertsbreite beschreibt die Breite des Spektralbereichs, den ein Filter durchlässt. Je kleiner die Halbwertsbreite, desto schmaler und selektiver ist der durchgelassene Wellenlängenbereich.

Das elektromagnetische Spektrum

Elektromagnetische Strahlung umfasst ein breites Spektrum unterschiedlicher Wellenlängen. Für die industrielle Bildverarbeitung sind je nach Anwendung verschiedene Spektralbereiche relevant, die sich in ihren Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten unterscheiden.

Spektralbereich	Wellenlänge	Typische Anwendungen
UV	200–400 nm	Fluoreszenz, Materialprüfung
Sichtbares Licht	400–700 nm	Standard-Bildverarbeitung
Nahes Infrarot (IR)	700–1.100 nm	Störlichtunterdrückung, Materialunterscheidung
SWIR	1.000–2.500 nm	Feuchtigkeitsmessung, Halbleiter
MWIR	3–5 µm	Thermografie
LWIR	8–14 µm	Wärmebildtechnik

UV
200–400 nm	Fluoreszenz, Materialprüfung
Sichtbares Licht
400–700 nm	Standard-Bildverarbeitung
Nahes Infrarot (IR)
700–1.100 nm	Störlichtunterdrückung, Materialunterscheidung
SWIR
1.000–2.500 nm	Feuchtigkeitsmessung, Halbleiter
MWIR
3–5 µm	Thermografie
LWIR
8–14 µm	Wärmebildtechnik

Diagramm des elektromagnetischen Spektrums mit UV-, sichtbarem und Infrarotbereich sowie spektralen Kurven verschiedener Wellenlängen

Was ist bei der Auswahl optischer Filter zu beachten?

Spektrale Lage

Die Wellenlänge des Filters muss auf die eingesetzte Beleuchtung abgestimmt sein, beispielsweise auf Rot-, Blau-, UV- oder Infrarotlicht.

Filtertyp

Der passende Filtertyp richtet sich nach der jeweiligen Prüfaufgabe und danach, welche Lichtanteile durchgelassen, blockiert oder in ihrer Polarisation beeinflusst werden sollen.

Transmissionsgrad

Der Transmissionsgrad gibt an, wie viel Licht im gewünschten Spektralbereich den Filter passiert. Die Höhe der Transmission wirkt sich unter anderem auf die Bildhelligkeit und die erforderliche Belichtungszeit aus.

Kantensteilheit

Die Kantensteilheit beschreibt den Übergang zwischen Durchlass- und Sperrbereich. Eine hohe Kantensteilheit ist insbesondere dann relevant, wenn eng benachbarte Wellenlängen voneinander getrennt werden sollen.

Mechanische Kompatibilität

Neben den optischen Eigenschaften müssen auch Filtergröße, Gewinde und Bauform zu Objektiv und Kamera passen.

Optischer Filter, Objektiv und Machine-Vision-Kamera als aufeinander abgestimmte Komponenten

Der passende Filter funktioniert nur mit der richtigen Beleuchtung:
Ein Filter allein erzeugt noch kein optimales Bild. Zunächst sorgt die auf das Prüfobjekt abgestimmte Beleuchtung dafür, dass die gewünschten Merkmale hervortreten. Der passende Filter verstärkt diesen Effekt, indem er störende Lichtanteile ausblendet und nur die für die Bildaufnahme relevanten Wellenlängen zur Kamera gelangen lässt. Erst dann entsteht ein kontrastreiches, auswertbares Bild.

Welche Arten optischer Filter gibt es?

Polarisationsfilter

Eigenschaft: Polarisationsfilter reduzieren störende Reflexionen auf glänzenden oder transparenten Oberflächen.

Typische Anwendung: Polarisationsfilter erhöhen den Kontrast, indem sie störende Reflexionen, Glanzlichter und Spiegelungen auf glatten, glänzenden oder gekrümmten Oberflächen herausfiltern. Dadurch lassen sich Risse, Kratzer oder Unregelmäßigkeiten besser erkennen, die andernfalls von Reflexionen überlagert werden können. Somit sind sie insbesondere für die Glasinspektion, die Prüfung von Kunststoffteilen und Folien sowie die Flüssigkeits- und Oberflächenkontrolle geeignet.

Bandpassfilter Rotlicht (Farbfilter)

Eigenschaft: Rote Bandpassfilter lassen Licht aus dem roten Spektralbereich passieren und unterdrücken andere Wellenlängen.

Typische Anwendung: In Kombination mit roter LED-Beleuchtung reduzieren rote Bandpassfilter störende Lichtanteile außerhalb des roten Spektrums und sorgen so für stabile Kontraste. Dadurch lassen sich beispielsweise Druckbilder, Etiketten, Barcodes oder Klarschrift zuverlässig erfassen. Weitere Einsatzbereiche sind OCR-Anwendungen sowie die Erkennung von Farbmarkierungen und Verpackungsmerkmalen.

IR-Langpassfilter

Eigenschaft: IR-Langpassfilter blockieren sichtbares Licht und lassen infrarotes Licht hindurch.

Typische Anwendung: In Verbindung mit aktiver IR-Beleuchtung lässt sich störendes sichtbares Umgebungslicht nahezu vollständig ausblenden und der Kontrast erhöhen. Das ermöglicht eine zuverlässige Bildauswertung auch unter herausfordernden Lichtbedingungen, beispielsweise in der Fördertechnik und Robot Vision sowie bei der Anwesenheitskontrolle, Materialunterscheidung und Codeerkennung.

Bandpassfilter für sichtbares Licht

Eigenschaft: Begrenzt die Bildaufnahme auf den sichtbaren Spektralbereich von 400–700 nm und reduziert störendes UV- und IR-Licht.

Typische Anwendung: Bandpassfilter für sichtbares Licht reduzieren Einflüsse durch Umgebungslicht oder Fremdbeleuchtung, welche Kontrast und Farbwiedergabe verfälschen können. Dadurch lassen sich in Mehrkamerasystemen einheitliche Werte über alle Kameras hinweg erzielen. Auch bei der Farbprüfung, Positionskontrolle und Qualitätskontrolle bleiben die Ergebnisse bei wechselnden Beleuchtungssituationen besser vergleichbar.

Vergleich einer Metalloberfläche mit und ohne blauen Bandpassfilter zur Hervorhebung feiner Strukturen und Kratzer

Bandpassfilter Blaulicht (Farbfilter)

Eigenschaft: Optimiert den Kontrast bei blauer LED-Beleuchtung und unterdrückt störendes Umgebungslicht.

Typische Anwendung: Blaue Bandpassfilter nutzen die geringere Beugung kurzwelligen Lichts, um feine Strukturen mit schärferen Kanten und höheren Kontrasten abzubilden. Gleichzeitig wird Licht außerhalb des blauen Spektrums ausgeblendet. Dies ermöglicht eine rauscharme und kontrastreiche Erfassung bei der Elektronik- und Leiterplatteninspektion, der Kanten- und Konturerkennung sowie bei Oberflächenprüfungen, Strukturerkennungen und Präzisionsmessungen.

UV-Filter

Eigenschaft: Für Anwendungen mit UV-Beleuchtung oder UV-Fluoreszenz zur Hervorhebung von Merkmalen, die im sichtbaren Licht nicht erkennbar sind.

Typische Anwendung: Bei der Fluoreszenzprüfung blockieren UV-Filter die intensive UV-Anregungsstrahlung, während das von fluoreszierenden Stoffen ausgesendete, schwächere Fluoreszenzsignal für die Bildaufnahme genutzt wird. Auf diese Weise lassen sich Rückstände, Fehlstellen oder Codes sichtbar machen. Typische Anwendungen sind die Klebstoffkontrolle, Lack- und Beschichtungsprüfung, das Auslesen unsichtbarer Sicherheitsmarkierungen wie Data-Matrix-Codes auf Glasampullen sowie die Materialanalyse.

Produktvergleich

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