CN102084377A - 用于分析半透明或透明曲壁上的标记的方法及光学设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过具有照明表面(S)的光源(5)和通过具有光学观察轴(A)的照相机(6)对制造在由半透明或透明材料制成的曲壁(3)的外表面(3i)上的标记(2)进行分析的方法，其特征在于：-制造宽阔和均匀的光源，使得：所述光源(5)的照明表面(S)的虚像(S1)的区域完全覆盖所述标记(2)的表面，以及使得所述光源(5)的照明表面(S)的虚像(S1)的亮度是均匀的；以及-观察位于所述虚像(S1)的表面上的所述标记(2)的表面，从而能够分析所述标记(2)。

Description

用于分析半透明或透明曲壁上的标记的方法及光学设备
技术领域
本发明涉及读取由半透明或透明材料制成的曲壁的外表面上的诸如编码之类的一般意义上的标记的技术领域。
背景技术
本发明在读取设置在容器，特别是诸如瓶子、罐子、灯泡、小瓶、镜片等等由玻璃或塑料材料制成的容器的外壁上的标记、符号或编码的领域中发现了特别有利的非限制性应用。
在读取物品的曲壁上的标记或编码的领域中，文件US2006/0091214提出了一种具有照射漫射屏的光源的设备，该漫射屏的中心处是穿透的以安置照相机的镜头。照相机的轴与漫射屏的轴共线。漫射屏装有漫射腔，该漫射腔能够提供一种提供多角度入射以读取编码的光源照明。
应注意的是，漫射屏的表面在其中心处存在与照相机镜头的存在相对应的非照明区域。通过诸如玻璃表面之类的产生镜面反射的物品，例如，照相机观察其检查的表面上所反射的光源照明。光源的非照明区域使图像中出现妨碍编码读取的暗区。
此外，应注意的是，该文件中描述的设备试图读取制造在不透明的物品上的编码。从图1可以看出，存在两个折射面Es和Ei的透明或半透明的物品上的编码2的读取会引起特殊的问题。在该示例中，将编码2标记在物品的外反射面Es上。因此出现通过物品的内表面Ei上的反射形成的外表面Es的像I。通过物品的内表面Ei上的反射获得的这种干扰像相对于编码偏移，从而妨碍物品的外表面Es上的编码的正确检测。
现有技术中还已知的是，专利US 4 644 151提供了一种适合于读取容器上与模制该容器所用的模具的号码相对应的编码的设备。这种编码包括一连串浮雕形式的部分或“珠子”，每一个均呈现毫米量级的直径。通过光源照射编码，光源被浮雕中的部分所反射的光线被线性照相机复原，以便确定容器上所写的编码。这种读出设备不适合于读取相对于被检查的表面存在很少的浮雕或者不存在浮雕的编码。此外，这种设备不适合于读取具有非常小(例如小于一毫米)的图案或者字符的编码。此外，这种设备不能避免来自于作为容器的内表面上的反射结果而存在的像的干扰。最后，这种设备需要以恒定的斜度(pitch)进行扫描，以便读取在容器的大角度范围内制成的编码。
发明内容
因此，本发明试图通过提供一种适合于以可靠的方式对由透明或半透明的反光材料制成的曲壁的外表面上所带的由小图案或字符组成的标记进行分析的新颖的光学技术来弥补现有技术的缺陷。
为了实现这一目的，本发明提出一种使用具有照明表面的光源和存在观察光轴的照相机对制造在由半透明或透明材料制成的曲壁的外表面上的标记进行分析的方法。
根据本发明，通过下列步骤执行该方法：
·通过以下方式使所述光源宽阔和均匀：
·首先，所述光源的照明表面的虚像的范围完全覆盖所述标记的表面；以及
·所述光源的照明表面的虚像的亮度是均匀的；以及
·观察重叠在所述虚像的表面上的所述标记的表面，从而能够分析所述标记。
在一个变形实现方式中，该方法在于通过获取在所述照相机和所述壁的相对运动过程中取得的图像或一系列图像来观察所述标记的表面。
有利地，该方法在于使所述光源的照明表面的虚像的范围与所述曲壁的曲率相适应。
本发明还提供一种用于对制造在由半透明或透明材料制成的曲壁的外表面上的标记进行分析的设备，该设备包括：
·光源，其具有照明表面；以及
·照相机，其设置有镜头，所述镜头的观察光轴基本垂直于所述曲壁的外表面。
根据本发明：
·所述光源具有均匀和宽阔的照明结构，使得：
·所述光源的照明表面的虚像的范围完全覆盖所述标记的表面；以及
·所述光源的照明表面的虚像的亮度是均匀的；以及
·所述照相机适合于获取重叠在所述虚像的表面上的所述标记的表面的图像。
在一个变形实施例中，所述光源包括相对于所述照相机的镜头偏移的背光照明的漫射屏。
在另一实施例中，在所述照相机的镜头的前方放置偏转器光学元件。
在一个变形实施例中，通过彼此相对放置的反射镜在任一侧扩大所述漫射屏。
在另一变形实施例中，通过在与所述反射镜所在的平面以及所述漫射屏所在的平面基本垂直的平面内延伸的反射镜来扩大所述漫射屏。
在另一实施例中，该设备在所述漫射屏和所述曲壁之间包括光学元件，所述光学元件适合于在所述照相机的镜头的光瞳面中形成所述光源的表面的平面的像。
在另一实施例中，该设备包括插入到所述照相机的镜头和所述曲壁之间的半透明光学元件，漫射屏和所述照相机的镜头的入瞳关于所述半透明光学元件的平面对称设置。
有利地，所述标记是通过激光获得的标记。
附图说明
通过接下来参考附图作出的描述将显现出各个其他特点，附图中显示了本发明的作为非限制性示例的实施例。
图1是解释可通过本发明解决的干扰像问题的图示。
图2是显示根据本发明的分析设备的工作原理的正视图。
图3是基本在图2的线III-III上的俯视图。
图4和图5分别是由棱镜实现的分析设备的变形实施例的俯视图和正视图。
图6和图7分别是以菲涅耳透镜实现的分析设备的另一实施例的俯视图和正视图。
图8是以分束器实现的分析设备的另一实施例的正视图。
具体实施方式
从图2和图3可以看出，本发明提供了适合于对制造在诸如镜片或中空物品(容器、灯泡、管等等)之类的存在两个折射面31、32的物品的曲壁3的外表面31上的符号、标记或更一般而言的任意类型的标志2进行光学分析的设备1。以任何适当的方式(通过沉淀油墨、激光标记等等)特意制造标记2，标记2可呈现各种一维或二维形式，例如条形码、字母数字编码、或者数据矩阵。
壁3由透明或半透明的反光材料制成。例如，壁3由玻璃或塑料材料制成。壁3具有与物品的外表面31和内表面32相对应的两个折射面。外表面31基本平行于内表面32延伸，因此外表面31和内表面32共同限定物品的壁的厚度。由于外表面31的表现类似于反射镜，因此外表面31为定向反射面。
应注意的是，本发明的设备1试图分析制造在非平面壁3(即呈现任意曲面形状的壁)上的标记2。在图2和图3所显示的示例中，壁3呈现半圆筒形状。在垂直于表面31和32的横平面中，外表面31呈现确定的曲率，例如以所示示例中的纵轴x为圆心的弓形。由于壁3为圆筒的一部分，因此纵轴x为直线，但是可以想象壁3在与照相机6的横平面垂直的平面中也可以是弯曲的。
设备1包括光源5和通常设置有镜头7的照相机6，镜头7具有观察光轴A和光学视场C。自然地，照相机6通常为矩阵照相机，照相机6的光学视场C适合于覆盖或观察制造在曲壁的外表面31上的标记2的至少整个面积。
光源5具有用于照明外表面31的均匀和宽阔的照明表面S，外表面31因其镜面反射特性通过反射产生照明表面S的虚像S′。因此，虚像S′对应于照相机所见到的在外表面31上反射后的光源5的表面。
在图3中，为了清晰起见，将像S’显示在与图2中相同的位置。在该表示中，忽略外表面31所构成的凸面镜的象散。在实际当中，如果外表面31是可当作围绕轴x的半径为R的柱面镜的反射镜，则照明表面S在图3的剖面内的水平线段的虚像是位于靠近R/2距离处的水平线段S′，即更接近外表面31，同时还是外表面31的同一侧的虚像。同样由于象散，为了进行完整的分析，还应理解的是，虚像S在图2中的位置S′对应于照明表面S在图2的剖面中的垂直线段的像。
根据本发明，光源5具有均匀和宽阔的照明表面。光源5使得：
·虚像S′的范围完全覆盖标记2的表面积；以及
·虚像S′的亮度是均匀的。
应认为光源的虚像S′的亮度是均匀的，即其不包括阴影区域。
此外，虚像S′覆盖标记2的整个表面积。因此，虚像S′的面积不小于标记2的面积。在实际当中，优选地，虚像S′的面积大于标记2的面积，从而无论设备1和物品之间如何相对运动，标记2的表面一定被虚像S′的表面完全覆盖。优选地，虚像S′的面积至少比标记2的面积大1.5倍。
应理解的是，照相机6将光源5的表面S的虚像S′作为标记2的背景来观察。该标记2和虚像S′包含在视场C内，标记2包含在虚像S′内。
应注意的是，光源5使得虚像S′的强度足以构成不被干扰照明干扰的背景。光源5可以是脉冲光源或者连续光源。
光源5的表面S的尺寸直接从以上描述确定。照相机6在其光学视场C中观察反射光源的虚像S′的表面。光学视场C的范围C′用于限定光源5的表面S的尺寸(高度h和宽度l)。在所示示例中，表面S的宽度l位于横平面内，即宽度l垂直于表面31和32，而高度h是沿纵轴x度量。
有利地，光源5的表面S位于观察轴A在外表面31上反射后的像A′的中心。
根据本发明的有利特征，观察方向，即照相机的观察光轴A基本垂直于壁的外表面31。因而，由于观察轴A在外表面31上反射后的像A′也基本垂直于外表面31，所以观察入射角α很小。观察光轴A和观察光轴A反射后的像A′基本平行。只要观察光轴A与观察轴的像A′之间的角度小于或等于10°(α≤5°)，以及优选典型等于6°(α＝3°)，则在本发明的含义中，观察光轴A基本平行于观察轴的像A′。在观察方向垂直于外表面31的情况下，外表面在内表面32上反射形成的副像与外表面31的主像重合，从而与标记2的重复相对应的干扰像不再出现。
从本发明可以看出，照相机6适合于获得重叠在源的虚像S′上的标记2的表面的图像。换言之，照相机6适合于观察重叠在虚像S′上的标记2。标记2和虚像S′基本在观察光轴A上对齐。
适合于分析或读取标记2的处理器对通过像6获得的图像进行处理。如果照明和观察条件如上文所述，则所获得的图像中不存在干扰像，在所获得的图像中，标记2具有良好的均匀对比度，从而能够可靠地读取标记。
图4和图5显示了根据本发明的设备的第一实施例，其中诸如棱镜的光学元件11被置于照相机镜头7前方，以便偏转观察光轴A，从而使设备1更加紧凑。例如，通过端部装有棱镜11的筒12来延长镜头7。
在该实施例中，光源5具有漫射屏13，通过诸如实现为一系列发光二极管(LED)的发光体14对漫射屏13进行背光照明。限定照明表面S的漫射屏13相对于照相机镜头7偏移。换言之，漫射屏13与照相机6分离。在该图示实施例中，漫射屏13位于棱镜11的下方，即漫射屏13相对于镜头7沿物品的纵轴x偏移。自然地，可以想象通过将组件枢轴转动180°，以不同的方式布置漫射屏和棱镜，从而使漫射屏13位于棱镜11的上方。
有利地，照相机6以及通过筒12来延长的照相机镜头7安装在敞口盒子16中，以使被棱镜11偏转前的观察光轴垂直于物品的纵轴x。漫射屏13位于棱镜11下方，使表面S的法线垂直于物品的纵轴x。LED 14安装在漫射屏13后方。
在首选方向上，在所示示例中具体为位于与弯曲外表面31相切的平面内的水平方向，通过被布置成人为增加光源5的面积的反射镜17来在任一侧扩大漫射屏13。因此，通过与表面S在反射镜17中反射所得的虚像相对应的表面S1在任一侧增大光源5的表面S。作为示例，反射镜17彼此相对且平行于纵轴x，扩大漫射屏13。反射镜17的存在可以在与纵轴x垂直的水平方向上人为地增大漫射屏13的面积。因此，对于盒子16的给定的宽度，光源5的面积被水平地扩大(宽度l)，因为其对应于光源5的表面积S加上反射镜17的两个表面积S1。反射镜的存在可以提高物品的边缘或周围的观察，而不会在宽度方向上增加光源5的尺寸。
因此，本发明能够使光源5的照明表面S的虚像S′的范围与曲壁3的曲率相适应。因此，壁3的曲率越大(其曲率半径越小)，光源5的表面的宽度l越大。
在另一变形实施例中，应注意的是，可以规定在第二方向上，即沿垂直轴x人为地增加光源5的表面积。在该示例中，通过位于与反射镜17所在的平面以及漫射屏13所在的平面基本垂直的平面内的反射镜19来扩大漫射屏13。因此，在垂直面内，光源5的表面积增加了与表面S在反射镜19上反射所得的虚像相对应的面积S2。
图6和图7显示了另一实施例，其中分析设备1在漫射屏13和曲壁3之间包括光学元件21，光学元件21适合于在照相机6的镜头7的光瞳面中形成光源5的表面S的平面的像。因此，诸如菲涅耳透镜之类的光学元件21用于合并光源5的平面与物品的纵轴x。在壁的外表面31上的反射之后，光线被镜头合并到镜头7的光瞳处。因此，在图像中，光源5的表面S在与弯曲外表面31相切的平面内所包括的水平方向上看起来是均匀和宽阔的。
在该示例中，具有照相机镜头7的照相机6被放置在漫射屏13上方，通过LED14对漫射屏13进行背光照明，从而通过菲涅耳透镜21之前的观察光轴和照明光轴互相平行。应注意的是，作为使用菲涅耳透镜21的结果，观察光轴和照明光轴形成小于10°的角度，从而可以避免投射阴影。
图8显示了另一实施例，其中观察轴和照明轴是共线的。在该示例中，通过照相机观察漫射光源的屏13在壁的外表面31上反射之后的表面。为了保证这样，在壁上反射之后，漫射屏13的该表面在水平方向上看起来是宽阔的，菲涅尔透镜21例如可被放置在透镜7和壁之间，从而使得光源的平面与物品的纵轴重合。在壁的外表面上反射之后，光线被菲涅尔透镜21合并到透镜7的光瞳处。因此，漫射屏13的表面在图像中看起来在与弯曲外表面31相切的平面内的水平方向上是均匀和宽阔的。
应注意的是，观察光轴A垂直于物品的纵轴x。对于观察光轴和照明光轴共线的情况，半透明光学元件23插入到照相机6的镜头7和曲壁的外表面31之间。在该示例中，背光照明的漫射屏13与照相机6的镜头7的入瞳关于半透明光学元件23的平面对称放置。
从以上描述可以看出，根据本发明的设备1用于以良好的条件获取反光和透明壁上的标记2。本发明的设备1在读取形成在玻璃容器的壁3上的诸如矩阵码之类的二维标记2中发现了特别有利的应用，如图9所示。优选地，矩阵码是通过激光刻蚀在高温下制造在容器上的数据矩阵码。从图10可以看出，本发明的设备1用于获取重叠在光源的虚像上的编码2的表面的图像30。图像30的背景是暗淡的，因为它是由光源被壁反射的像构成的。编码2的各个点使光偏转，因而在图像30中看起来是暗的。光源照亮包括全部编码的环扇形，如上文所述，其在两个方向上，即在平行于物品的垂直轴的方向以及垂直于物品的垂直轴的方向上，呈现出均匀性。从图10可以清楚看到，以这种方式获得的图像具有很好的分辨率。
此外，这种设备1是紧凑的，因此可以以便携式读出设备的形式来实现，或者易于结合到用于在线检验物品的机器中。应注意的是，可以规定通过在照相机和壁的相对运动(例如转动运动)过程中获取单一图像或一系列连续图像来观察标记2。通过相对运动，对可能重叠的图像共同进行分析，以便读取标记2。
本发明不限于所描述和显示的示例，因为在不超出其范围的情况下，可对其进行各种修改。

Claims (11)

1.一种使用具有照明表面(S)的光源(5)和存在观察光轴(A)的照相机(6)对制造在由半透明或透明材料制成的曲壁(3)的外表面(31)上的标记(2)进行分析的方法，该方法的特征在于：
·通过以下方式使所述光源宽阔和均匀：
·首先，所述光源(5)的照明表面(S)的虚像(S′)的范围完全覆盖所述标记(2)的表面；以及
·所述光源(5)的照明表面(S)的虚像(S′)的亮度是均匀的；以及
·观察重叠在所述虚像(S′)的表面上的所述标记(2)的表面，从而能够分析所述标记(2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法在于通过获取在所述照相机和所述壁的相对运动过程中取得的图像或一系列图像来观察所述标记(2)的表面。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法在于使所述光源(5)的照明表面(S)的虚像(S′)的范围与所述曲壁(3)的曲率相适应。
4.一种用于对制造在由半透明或透明材料制成的曲壁(3)的外表面(31)上的标记(2)进行分析的设备，该设备包括：
·光源(5)，其具有照明表面(S)；以及
·照相机(6)，其设置有镜头(7)，所述镜头(7)的观察光轴(A)基本垂直于所述曲壁的外表面(31)；
该设备的特征在于：
·所述光源(5)具有均匀和宽阔的照明结构(S)，使得：
·所述光源的照明表面(S)的虚像(S′)的范围完全覆盖所述标记(2)的表面；以及
·所述光源(5)的照明表面(S)的虚像(S′)的亮度是均匀的；以及
·所述照相机(6)适合于获取重叠在所述虚像(S′)的表面上的所述标记(2)的表面的图像。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述光源(5)包括相对于所述照相机(6)的镜头(7)偏移的背光照明的漫射屏(13)。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，在所述照相机(6)的镜头(7)的前方放置偏转器光学元件(11)。
7.根据权利要求4或权利要求5所述的设备，其特征在于，通过彼此相对放置的反射镜(17)在任一侧扩大所述漫射屏(13)。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，通过在与所述反射镜(17)所在的平面以及所述漫射屏(13)所在的平面实质垂直的平面内延伸的反射镜(19)来扩大所述漫射屏(13)。
9.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，该设备在所述漫射屏(13)和所述曲壁之间包括光学元件(21)，所述光学元件(21)适合于在所述照相机(6)的镜头(7)的光瞳面中形成所述光源的表面的平面的像。
10.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，该设备包括插入到所述照相机(6)的镜头(7)和所述曲壁之间的半透明光学元件(23)，漫射屏(13)和所述照相机(6)的镜头(7)的入瞳关于所述半透明光学元件(23)的平面对称设置。
11.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述标记(2)是通过激光获得的标记。
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