DD221861A1 - Beleuchtungseinrichtung zur erzeugung eines lichtstreifens - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung von Streifenlicht, die zusammen mit einer Kamera, Transporteinheit und Bildverarbeitungseinheit zur Identifikation und Lagebestimmung sowie Inspektion von Werkstuecken eingesetzt wird. Die Beleuchtungseinrichtung soll unempfindlich gegen Verschmutzung einen langen Lichtstreifen aus nahezu parallelem Licht und nahezu konstanter Intensitaetsverteilung erzeugen. Erfindungsgemaess wird zwischen einem zylindrischen Strahler und einer Zylinderlinse eine Lamellenblende im Strahlengang angeordnet, wobei Strahler, Zylinderlinse und Lamellenblende parallel zueinander sind. Fig. 3

Description

Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung eines Liohtstreifens Anwendung. d.gy Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Streifenlicht, die zusammen mit einer Kamera, Transporteinheit und Bildverarbeitungseinheit zur Identifikation und Lagebestimmung sowie Inspektion von Werkstücken eingesetzt werden kann·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In visuellen Systemen zur Identifikation, Lagebestimmung und Ί Inspektion von Werkstücken und auch anderen Objekten werden in zunehmendem Maße Integrierte Schaltkreise mit matrix.- und zellenförmigen Anordnungen fotoelektrischer Elemente - z. B· Fotodioden oder CCD-Elemente . -eingesetzt· Bei Verwendung eines zellenförmigen Sensors ist zur flächenhaften Bildaufnahme eine Relativbewegung zwlsohen Objekt und Kamera erforderlich, was im allgemeinen durch Bewegung des Objektes senkrecht zum zellenförmigen Sensor mittels einer Transportfläche realisiert wird· Wie in dem DD-WP H 04 H/ 242 173 7 für eine Kamera mit CCD-Zeile dargestellt ist, kann mittels Mikrorechner die Auelesefrequenz und Belichtungszelt der CCD-Zeile so gesteuert werden, daß ein quadratisches Rastermaß und Anpassung an die Beleuchtungsstärke erreicht wird.

Von grundlegender Bedeutung für die Erzeugung eines signifikanten Bildes, d.iu eines Bildes, das die für die Erkennung erforderlichen Eigenschaften des Objekts hinreichend wiedergibt, ist die Beleuchtungseinrichtung· Im allgemeinen wird durch geeignete Wahl der Beleuchtungseinrichtung versucht, signifikante Abbildungen in Form von schwarz-weiß-Bildern zu erhalten. Dabei wird durch eine Schwelle oder einen Fensterkomparator das fotoelektrische Signal in weiß und schwarz binarisiert Solch eine Vorgehensweise wird u.a. in Verfahren angewendet, die die Silhousfcte des Objekte aufnehmen und auswerten, ζ· B. in dem visuellen System VS-100/B· Carlisle u_#a·, "The Puma/ VS-100 Robot Vision System· "I, Intern· Conf· Robot Vision and Sensory Controls, Stratford-upon Avon 1981/·

line besonders einfache Anordnung zur Aufnahme der Silhouette wird erreicht durch Plazierung des Objekts unterhalb einer Kamera auf einer durchsichtigen Fläche, die von unten beleuchtet wird· Beispielsweise wird inder DE-OS 2 637 686 eine durchscheinende Plexiglasfläche mit rückwärtiger Beleuchtung für die Aufnahme der Silhouette verwendet· Jedoch ist der Einsatz von Plexiglas, Glas oder auch durchsichtigen Transportbändern ale Auf lagefläche für Werkstücke wegen der Verschmutzung und Beschädigung in Produktionsstätten nur in Ausnahmefällen möglich*

In der DE-OS 2 629 071 wird das Werkstück durch Leit- und Führungselemente in einem gewissen Abstand zu dem durchstrahlten transparenten Hintergrund gehalten und so eine Verschmutzung vermieden· Voraussetzung für die Anwendung dieses Verfahrens ist eine definierte und stabile Auflage des Werkstücks in den LeIt- und Ffflirungselementen und Erkennbarkeit des Werkstücks trotz teilweiser Abdeckung durch die Leit- und Führungselemente, wodurch eine größere Einsatzbreite nicht infrage kommt· Bei der Aufnahme der Silhouette mit direkter Beleuchtung von oben ist ein ausreichender Kontrast zwischen Werkstück und Auflagefläche erforderlich, um die Grenzen zwischen Werkstück und Auflageflache im Bild zu erfassen« Die Aufnahme der Silhouette von Objekten ohne oder mit wechselndem Kontrast zur Auflagefläche ist so nicht möglich·

Ein von dem Kontrast zwischen Objekt und Auflagefläche unabhängiges Bildauf nähme verfahr en wird in dem System (COKSIGHT / R.M. Ward u.a. "CONSIGHT: A praotial vision-based robot guidance system·¹* IZ ISIR, Washington 1979) realisiert· Es werden zwei gleiche Beleuohtungseinheiten aus zylindrischem Strahler und Zylinderlinse zur Projektion von zwei parallelen, sich überdeckender Lichtstreifen verwendet· Die Achsen der zylindrischen Strahler, der Zylinderlinsen (oder plankonvexe Stablineen) und des zellenförmigen fotoelektrifchen Sensors sind parallel zueinander· Die Zylinderlinse projiziert den Strahier auf die Transportfläche und das Objektiv der Kamera projiziert den Lichtstreifen (bzw* ein schmales Stück des Lichtstreifens) auf den zellenförmigen Sensor· Die beiden

Beleuchtung®®inn®iten sind im Winkel (z.B. + 25°) zur Flächennormalen und symmetrisch sum zellenförmigen Sensor angeordnet» Kreuzt ©in Objekt hinreichender Dicke die Lichtet reifen, sjo waüdersi die beiden Lichtstreifen auf dem Objekt aus dem zellenförmigen Gesichtsfeld der Kamera und nur noch Lioht aus dem Lichtstreifen neben dem Objekt im Gesichtsfeld der Kamera erreicht den Sensor· So kann die Teilsilhouette unabhängig von dem Kontrast zwischen Werkstück und Auflagefläche aufgenommen werden« Zwei Beleuchtungseinheiten werden verwendet* um Verzerrungen des Bildes durch Abschattungen an Randstücken des Objektes zu vermelden bzw· einzuschränken· Ein Nachteil dieser Beleuchtungseinrichtung ist, daß die Licht-Btrei&n keiae temcgpne Intensitätsverteilung besitzen und die Eokussierung nicht amf der Transportflache erfolgt» was durch einen Teil der schräg auf die Zylinderlinse einfallenden Strahlung bedingt ist·

Weitere Inhomogenitäten in der Intensität auf der Transportfläche ergeben sich durch Abschattung der schräg zum Lichtstreifen einfallenden Strahlung durch das Objekt. Infolge auf der Transportfläche vorhandener Schwankungen diffus reflektierter Strahlung aufgrund von Inhomogenitäten oder Verschmutzung einerseits und andererseits durch Einfall von Streulicht aus anderen Lichtquellen der Umgebung auf ein ζ·Β· wesentlich stärker als die Auflagefläche reflektierendes Objekt wird der zulässige Bereich für das Fotosignal zu "Objekt vorhanden" und "Objekt nicht vorhanden" eingeschränkt. Insbesondere kann bei Sensoren ohne integriertem Ant!blooming eine Übersteuerung eine Verfälschung der Abbildung bewirken, so daß die Beleuchtungsstärke für die Transportfläche durch die am stärksten diffus reflektierenden Stellen des Untergrundes beschränkt wird. Inhomogene Lichtintensität in jedem Lichtstreifen vermindern den zulässigen Störabstand weiter.

Eine andere bekannte Einrichtung (GB-PS 832 369) benutzt einen parabolischen Hohlspiegel in Gestalt eines die Länge des zu beleuchtenden Streifens überspannenden Reflektorstreifens, der das von einer im Brennpunkt liegenden Lichtquelle auf ihn fallende Licht in ein parallelstrahliges Beleuchtungslichtband

umsetzt, das dann von einer Zylinderlinse in einem auszuleuchtenden Streifen fokussiert wird· Die Herstellung und lagegenaue Halterung dieser Teile ist relativ kostspielig, insbesondere wenn lange Lichtstreifen für breite Transporteinrichtungen zu erzeugen sind·

In der DE-OS 2 649 224 wird die Beleuchtung von unten durch eine schräge Beleuchtung von oben zur Identifikation der beleuchteten Oberfläche ergänzt, um verschiedenartige Objekte mit gleicher Silhouette unterscheiden zu können» Die schräge Beleuchtung wird so eingestellt, daß ein für die Erkennung geeignetes charakteristisches Oberflächenmerkmal in dem Bild erfaßt wird· Auf die eingeschränkte Anwendbarkeit der Beleuchtung von unten wurde bereits hingewiesen· Eb sind auch bereits Modelle ausgearbeitet worden (Woodham, H. "Analysing Images of Curved Surfaces "Artifical Intelligence 17 (1981), 117-140), die aus der Grauwertverteilung bei (näherungsweise ) parallelem-Lichteinfall auf das Objekt die Oberflächenstruktur ermitteln lassen·

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist eine industriell einsetzbare, aufwandsarme Beleuchtungseinrichtung zu schaffen, die die Mängel der aufgeführten Beleuchtungseinrichtung^ beseitigt und einer Vielzahl verschiedenartiger Anwendungsfälle gerecht wird, betreffend die Aufnahme der Silhotefcte, die Aufnahme von Oberflächenstrukturen und die gleichzeitige Aufnahme von Silhouette und Oberflächenstrukturen·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungseinrichtung zu schaffen, die unempfindlich gegen Verschmutzung einen langen Lichtstreifen aus nahezu parallelem Licht und nahezu konstanter Intensitätsverteilung erzeugt· Die Beleuchtungseinrichtung ist so zu gestalten, daß die Breite des LichtStreifens einstellbar ist und zwei solche

Beleuchtungseinrichtungen so angeordnet werden können, daß zwei parallele Lichtstreifen erzeugt werden, die sich auf einer Projektlonsflach® Überdecken«

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß für die Erzeugung des LichtStreifens ein zylindrischer Strahler, eine Zylinderlinse oder plänkonvexe Stablinse (im weiteren ebenfalls als Zylinderlinse bezeichnet) und eine Lamellenblende im Strahlengang verwendet werden, die durch Schlitzblenden zur Begrenzung der Strahlung ergänzt werden können· Insbesondere kann auch ein Reflektor in Form eines Hohlspiegels zylinderischer Form zur Bündelung der Strahlung und eine Blende zur Abschirmung des Strahlers gegenüber der Zylinderlinse ergänzt werden* ,

Für die Erzeugung eines schmalen Lichtstreifens nahezu konstanter Intensitätsverteilung längs des Streifens, dessen Lichtpunkte nur Strahlung aus einem Kegel mit geringem öffnungswinkel empfangen, wobei die Achsen aller Kegel zu allen Lichtpunkten parallel sind, wird der zylindrische Strahler mit der Zylinderlinse und der Lamellenblende im Strahlengang auf eine Projektionsebene abgebildet· Die Abbildung des Strahlers mit nahezu konstanter Intensität längs des Mittelstreifens wird erst durch die Absorption der schräg zur Strahlachse emittierten Strahlung mittels der Lamellenblende erreicht. Der öffnungswinkel des Kegels,, aus dem die Lichtpunkte Strahlung empfangen, wird entweder durch das Verhältnis des Abstandes zwischen den Lamellen zu der Länge der Lamellen in der Ebene von Strahlerachse und Lichtstreifenmitte oder durch das Verhältnis von ausgeleuchteter Breite der Zylinderlinse zum Abstand zwischen Zylinderlinse und Projektioneebene bestimmt. Zwischen Strahler und Zylinderlinse können Schlitzblenden parallel zur Strahlerachse für die Abblendung von Streustrahlung von der Glaakolbenwand des zylindrischen Strahiere sowie zur Begrenzung der bestrahlten Breite der Zylinderlinse eingesetzt werden»

Für die Erzeugung, eines breiten Licht Streifens wird der. Strahler zweckmäßig im Abstand der Brennweite zur Zylinderlinse angeordnet·

Eine weitere zweckmäßige Einrichtung zur Erzeugung eines schmalen Lichtstreifens ergibt sich durch Anordnung eines Hohlspiegels zylindrischer Form ttber den zylinderförmigen Strahler als Reflektor, wobei der senkrechte Abstand zwischen Strahlachse und Reflektorwand gleich dem halben Wert des Zylinderradius ist und unter dem zylindrischen Strahler eine streifenförmige Blende angeordnet ist, die den Strahler gegenüber der Zylinderlinse abblendet·

Der Abstand zwischen Zylinderlinse und Projektionsebene ist gleich der Brennweite der Zylinderlinse zu wählen. Eine vielseitig einsetzbare Beleuchtungsanordnung ergibt sich durch Verwendung von zwei erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtungen, die systematisch zu einer Ebene angeordnet sind und deren parallele Lichtetreifen sich in der Projektionsebene tiberdecken· Für die Bilderzeugung unter Verwendung dieser Beleuchtungsanordnung wird ein fotoelektrischer Sensor zur .'Transportfläche, zwischen den beiden Beleuchtungseinrichtungen parallel angeordnet· Ein zellenförmiger fotoelektrischer Sensor wird parallel zum Lichtetreifen angeordnet·

Ausführungsbeispiel »

Die Einsatzmöglichkeiten der Erfindung sollen an mehreren AusfUhrungsbeispielen näher erläutert werden. Dabei zeigen

Fig. 1 die sehematißehe Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung mit zwei Strahlern

Fig· 2 die perspektivische Darstellung der Lamellenblende

Fig. 3 die perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung mit einem Strahler und abzubildendem Objekt

Fig. 4 Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung mit zusätzlichem Reflektor

Fig. 1 zeigt eine Anordnung, bei der zwei Strahler 1 mit den erfindungsgemäßen Einrichtungen einen Lichtetreifen erzeugen, dessen Lichtpunkte aus einem Öffnungswinkel von wenigen Grad Strahlung erhalten· Dazu werden die zylindrischen Strahler 1

im Abstand der Brennweite zu den Zylinderlinsen 3 angeordnet und die schräg zur SteahlEradase emittierte Strahlung durch eine Lamellenblende 2 absorbiert»

Der Öffnungewinkel *C senkrecht zur Zylinderebene von Fig. 1 wird durch die Länge 1 der Lamellen in der Ebene von Strahlerachse und Lichtstreifen 4 sowie den Abstand a zwischen den Lamellen in Pig· 2 bestimmt·

Es gilt cd s 2 arc tg γ. Der öffnungswinkel j3 der Stahlung senkrecht zum Lichtstreifen 4 ist der Winkel zwischen den beiden symmetrisch zur Kamera 5 angeordneten Beleuchtungseinrichtungen· Ein schmaler Streifen aus dem Zentrum des Licht-Streifens 4 wird mit dem Kameraobjektiv auf dem zellenförmigen Sensor abgebildet· Ein Objekt mit unterschiedlichem Höhenprofil erhält solange Strahlung (nahezu) konstanter Intensität» wie das auf dem zellenförmigen Sensor abgebildete Zentrum des LichtstrθifenB 4 von beiden Befeuchtungseinheiten ausgeleuchtet wird. Aus dem Grauwertbild des Objektes können in bekannter Weise Kontrastunterschiede für die Ermittlung gekrümmter Flächen sowie der Grenzen zwischen Objekt und Transportfläche 6 ausgewertet werden· Eine Beleuchtungseinrichtung zur Aufnahme dreidimensionaler Objekte unabhängig von dem Kontrast zwischen Objekt und Transportfläche wird erhalten_t wenn die Abstände zwischen zylinderfÖrmigeB Strahler 1 und Zylinderlinse 3 sowie Zylinderlinse 3 und Transportfläche^: 6 ' in Fig.1 so gewählt werden, daß ein schmaler Lichtstreifen 4 durch Abbildung der beiden Strahler entsteht, und der Lichtstreifen auf die Sensorzeile in der Kamera 5 projiziert wird· Für die weitere Erläuterung wird auf Fig. 3 bezuggenommen, in der von den beiden Beleuchtungseinrichtungen nur eine dargestellt ist· Passiert ein Objekt 7 auf der Transportfläche 6 den Lichtstreifen 4, so wandert der Liohtstreifen (bzw· die beiden Lichtstreifen bei symmetrischer Anordnung von zwei Beleuchtungseinriohtungen) in dem Objektbereich aus dem Bildfenster des zellenförmigen Sensors aus· Der zellenförmige Sensor erhält nur diffus reflektiertes Streifenlicht vom Niveau der Transportfläche· Bei geeigneter Wahl von Transportgeschwindigkeit und Periodendauer für die Signalausgabe der Sensorzeile wird eine Aufnahme der

Objekt silhouette erhalten· Es sei darauf hingewiesen, daß bestimmte Objektbeschaffenheiten, die zur gleichzeitigen Abschattung beider Licht streif en von der nicht durch das Objekt bedeckten Transportfläche ito. Bildfenster führen, eine verfälschte Wiedergabe der Silhouette; bewirken.

Pig· 3 zeigt ein Anwendungsbeispiel in Verbindung mit einer Kamera 5 mit matrixförmigen Sensor, dessen Zeilen zweckmäßig parallel zu dem Lichtstreifen ausgerichtet sind· Die T_ransportflache 6 wird senkrecht zum Lichtstreifen 4 mit konstantem Abstand zwischen Lichtstreifen 4 und matrixförmigen Sensor mit konstanter Geschwindigkeit bewegt· Aus den in regelmäßigen Zeitabständen aufgenommenen schwarzweiß-Bildern kann aus dem Zentrtun des ausgewanderten Lichtstreifens 4 das Höhenprofil des Objekts 7 ermittelt werden· Durch die Ergänzung einer zweiten Beleuchtungseinheit mit symmetrischer Anordnung wie in Fig. 1 kann auch bei einseitiger Abschattung des Lichtstreifens das Höhenprofil bestimmt werden·

Mit solch einer Anordnung läßt sich gleichzeitig auch die Silhouette des Ojekts 7 ermitteln. Sie ergibt sich aus dem Vorhandensein bzw· Nichtvorhandensein des Fotosignals in denjenigen benachbarten Sensorzeilen, die diffus reflektiertes Streifenlicht vom Niveau der Transportfläche empfangen.

Fig· 4 zeigt ein AusfUhrungebeiepiel für den Fall, wo ein großer Abstand zwischen Zylinderlinse 3 und Transportfläche 6 gefordert wird· In diesem Fall ist eine langbrennweitige Zylinderlinse 3 erforderlich und ein höherer Anteil von Strahlerlicht in Lichtstreifen wird erhalten, wenn ein zylindrischer Reflektor 8 und eine Blende 9 zusätzlich verwendet werden· Der zylindrische Strahler 1 befindet sich im Abstand der Brennweite des zylindrischen Reflektors 8· Das reflektierte Licht durchsetzt die Lamellenblende 2 und wird durch die Zylinderlinse 3 auf die Transportflache 6 projiziert. Die Streifenblende 9 ist so zwischen zylindrischen Strahler und Lamellenblende 2 angeordnet, daß die Zylinderlinse 3 von dem zylinderförmigen Strahler 1 direkt kein Licht empfängt. Der Abstand zwischen Zylinderlinse 3 und der Transportfläche ist gleich der Brennweite 10 der Zylinderlinse 3·

Claims (6)

259602 6 β - to. - J

1« Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung eines Licht streife ns auf einer Transportfläche für die Aufnahme bewegter Objekte mittele einer Kamera unter Verwendung eines zylinderförmigen Stahlers und einer Zylinderlinse, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen dem Strahler (1) und der Zylinderlinse (3) eine Lamellenblende (2) im Strahlengang angeordnet ist, wobei Strahler (1), Zylinderlinse (3) und Lamellenblende (2) parallel zueinander sind» ,

2. Beleuchtungseinrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Strahler (1) und Zylinderlinse (3) zusätzlich eine oder zwei Spaltblenden mit dem Spalt parallel zum Strahler angeordnet sind,

3. Beleuchtungseinrichtung nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Strahler (1) im Abstand der Brennweite (10) zur Zylinderlinse (3) angeordnet ist.

4« Beleuchtungseinrichtung nach Punkt 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Strahler (1) auf die Transportfläche (6) abgebildet wird,

5. Beleuchtungseinrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Reflektor (8) zylindrischer Form über dem zylindrischen Strahler (1) angeordnet ist, wobei der senkrechte Abstand zwischen Strahlerachse und Reflektörwand gleich dem halben Radius des Reflektors (8) ist, und unter dem Strahler (1) eine streifenförmige Blende (9) so angeordnet ist, daß die Zylinderlinse (3) von dem Strahler. (1) direkt keine Strahlung empfängt, und der Abstand zwischen Zylinderlinse (3) und Iransportfläche (6) gleich der Brennweite (10) der Zylinderlinse (3) ist.

6. Beleuchtungseinrichtung nach Punkt 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß zwei Strahler (1) mit der. dazugehörige . Zylinderlinse (3)» Lamellenblende (2) und bei Bedarf Reflektoren (8) und streifenförmiger Blende (9) verwendet werden, die symmetrisch zu einer Ebene (11) in Richtung der

- AO

Kamera (5) angeordnet sind und deren parallele Lichtet reif en (4) eich auf der Transportfläche (6) überdecken,

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen