DE10062784A1 - Verfahren zur optischen Inspektion von transparenten Körpern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Inspektion von transparenten Körpern, insbesondere von Glas- oder Kunststoffflaschen, welche mindestens eine Lichtquelle, ein lichtbrechendes Element und eine Kamera enthält. Die Vorrichtung ist dadurch ausgezeichnet, dass zwischen der Lichtquelle und dem lichtbrechendem Element mindestens ein Lentikular vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Inspektion von transparenten Körpern, welche mindestens eine Lichtquelle, ein erstes lichtbrechendes Element und eine Kamera umfasst. Der Begriff transparente Körper umfasst hierbei Glas- oder Kunststoffflaschen, die sowohl farblos als auch farbig sein können.

Bekannt ist aus der DE 195 12 133 eine Vorrichtung, zur Erkennung einer Kontur eines Flüssigkeitsbehälters. Hier wird von einer möglichst punktförmigen Lichtquelle ausgehend mittels einer Fresnel-Linse ein kollimiertes Strahlenbündel erzeugt. In diesem Strahlenbündel befindet sich ein Flüssigkeitsbehälter, dessen Kontur ermittelt werden soll. Auf der Schattenseite des Flüssigkeitsbehälters befindet sich eine zweite Fresnel-Linse, die das kollimierte Strahlenbündel im Wesentlichen auf eine Kamera fokusiert.

Der hierbei verwendete Strahlengang wird als telezentrischer Strahlengang bezeichnet, da sich das zu untersuchende Objekt in einem Bereich paralleler Lichtstrahlen befindet und die Größe des Bildes, welches auf der Kamera entsteht, von der Entfernung des Objektes von der Kamera unabhängig ist.

Eine solche Vorrichtung hat sich in zweierlei Hinsicht als nachteilig erwiesen. Zum einen gibt es deutliche Helligkeitsunterschiede zwischen dem zentralen Bildbereich in der Nähe der optischen Achse und den Bildbereichen, die von der optischen Achse weiter entfernt sind. Solche Helligkeitsunterschiede erschweren deutlich die digitale Bildauswertung, da hier in der Regel nur ein begrenzter Dynamikbereich der Kamera zur Verfügung steht.

Zweitens hat sich die Vorrichtung als nachteilig erwiesen, da eine Beurteilung des Körpers in Bezug auf Abwetzungen am Körper (Scuffing) nur eingeschränkt möglich ist. Um neben der Kontur auch solche Abwetzungen (Scheuerringe oder dgl.) zuverlässig beurteilen zu können, ist es notwendig, ein Bild, welches auch feine Kontrastunterschiede aufweist, aufnehmen zu können.

Weiterhin bekannt ist der Einsatz einer Lichtquelle zusammen mit einem Diffusor. Hierbei wird eine homogene Ausleuchtung des Objektbereichs gewährleistet. Jedoch hat sich dieses Verfahren als nachteilig erwiesen, da sehr viel Licht erzeugt wird, welches nicht für die optische Inspektion verwendet wird. Dies ist mit einer großen Energieverschwendung verbunden. Auch der Einsatz von Richtfolien ist hier bekannt.

Weiterhin ist dieses Verfahren insofern nachteilig, da der zu untersuchende transparente Körper von dem diffusen Licht aus verschiedenen Richtungen beleuchtet wird. Für die Untersuchung von Abwetzungen im Bereich des Körpers ergibt sich durch diese diffuse Beleuchtung lediglich ein sehr kontrastarmes Bild.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur optischen Inspektion von transparenten Körpern zu schaffen, welche keine großen Helligkeitsunterschiede in der Ausleuchtung des Objektbereichs erzeugt.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine möglichst punktförmige Lichtquelle vorgesehen. Das Licht durchsetzt ein Lentikular und wird anschließend von einem ersten lichtbrechenden Element zur Ausbildung eines parallelen Strahlenbündels gebrochen. In Strahlrichtung hinter dem ersten lichtbrechenden Element befindet sich ein Hohlraum, welcher ausreichend groß ist, um darin transparente Körper aufzunehmen. Das Licht, welches den zu untersuchenden Körper passiert hat, wird einer Kamera zugeführt, die ein Abbild des zu untersuchenden transparenten Körpers aufnimmt.

Bei einem Lentikular handelt es sich um eine zeilenförmige Anordnung von mehreren zylindrischen Linsen.

Durch die Verwendung mindestens eines Lentikulars wird die punktförmige Lichtquelle etwas verbreitert. Der Strahlengang wird aber nicht diffus, sondern behält seinen stark gerichteten Charakter bei.

Dadurch ist es zum einen möglich, einen homogen ausgeleuchteten Objektbereich zu erhalten, bei dem ein Kontrast im Bild im Wesentlichen durch die Abschattungen durch das zu untersuchende Objekt entsteht und weiterhin ist es möglich, die Vorteile eines telezentrischen Strahlengangs beizubehalten. Dies bedeutet, dass der Abstand des zu untersuchenden Objektes von einem der Bauteile der Vorrichtung für die entstehende Bildgröße und deren Schärfe nicht von Bedeutung ist. Weiterhin ist es aufgrund des gerichteten Strahlenganges möglich, auch innerhalb der Kontur des Körpers einen Kontrast, der sich durch die Abwetzungen des Körpers ergibt, zu ermitteln.

Besonders vorteilhaft ist es hierbei, ein zweites Lentikular zu verwenden, bei dem die Anordnung der Zylinderlinsen senkrecht zu denen des ersten Lentikulars ist. Vorteilhafterweise sind die Lentikulare hierbei in Kontakt oder zumindestens sehr dicht beieinander. Durch die Verwendung von zwei Lentikularen ist es möglich, einen etwa kreisförmigen, gut ausgeleuchteten Objektbereich zu erhalten.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung befindet sich zwischen der Lichtquelle und dem Lentikular und/oder zwischen dem Lentikular und dem lichtbrechenden Element mindestens ein Spiegel. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, einen kompakten Aufbau der gesamten Anordnung durch Falten oder Knicken des Strahlengangs zu erreichen.

Vorteilhafterweise wird die Lichtquelle etwa im Bereich der Brennweite des lichtbrechenden Elementes vorgesehen. Dadurch ergibt sich der im Wesentlichen parallele Strahlengang auf der Seite des lichtbrechenden Elements, die der Lichtquelle entgegengesetzt ist.

Vorteilhafterweise wird mindestens ein Lentikular in der Mitte zwischen der Lichtquelle und dem lichtbrechenden Element angeordnet. Somit ist der Abstand der Lichtquelle von dem mindestens einen Lentikular in etwa gleich dem Abstand des Lentikulars von dem lichtbrechenden Element. Dadurch bleibt der Strahlengang im Wesentlichen gerichtet und gleichzeitig wird eine gute Ausleuchtung des Objektbereichs gewährleistet.

Bevorzugt wird die Vorrichtung mit einem telezentrischen Strahlengang vorgesehen. Der telezentrische Strahlengang ermöglicht eine Abbildung des zu untersuchenden Körpers unabhängig von dessen Abstand zu dem lichtbrechenden Element. Weiterhin erlaubt die Verwendung eines telezentrischen Strahlenganges eine gute Beurteilung des Kontrasts innerhalb der Kontur des zu untersuchenden Körpers, der durch Abwetzungen des Körpers entsteht.

Als Lichtquelle ist beispielsweise der Einsatz einer einzelnen LED, einer LED-Zeile bzw. eines LED-Arrays oder einer Halogen-Lampe bzw. eines Halogenstifts möglich. Eine LED zeichnet sich vorteilhafterweise dadurch aus, dass mit einem vergleichsweise niedrigen Energieaufwand eine hohe Lichtausbeute erreicht werden kann. Eine Halogenlampe hat den Vorteil, dass in einem sehr begrenzten Raumbereich hohe Lichtintensitäten zur Verfügung gestellt werden. Auch der Einsatz von Leuchtstoffröhren, Stroboskop- oder Lichtblitzlampen sowie Lasern oder Laserdioden ist möglich.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, als Kamera eine TV-Kamera oder eine CCD-Kamera vorzusehen. Hierbei sind Kameras günstig, die in sehr kurzer Zeit Bilder digitalisiert aufnehmen und die entsprechenden Bildsignale weiterleiten können.

Eine bevorzugte Weiterführung der Erfindung besteht darin, ein zweites lichtbrechendes Element vorzusehen, welches das Licht des parallelen Strahlengangs, das den zu untersuchenden Körper passiert hat, fokussiert und auf diese Weise der Kamera zuführt. Das Bild des transparenten Körpers kann auf diese Weise verkleinert werden, so dass eine Kamera mit einem verkleinerten lichtempfindlichen Bereich eingesetzt werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, in dem im Wesentlichen parallelen Strahlengang auf der Schattenseite des transparenten Körpers einen Spiegel vorzusehen, welcher im Wesentlichen senkrecht zu dem Strahlengang steht. Dadurch wird der Strahlengang in sich zurückgeworfen. Das lichtbrechende Element, welches das Licht der Lichtquelle bündelt, wird durch die Anordnung des Spiegels auch das zurückreflektierende Licht fokussieren. Dadurch kann die Vorrichtung auf einer Seite des transparenten Körpers mit geringem Raumbedarf ausgeführt werden, was sich wegen der kompakten Bauform als sehr vorteilhaft darstellt.

Eine Weiterführung dieser Ausführungsform besteht darin, in dem Strahlengang zwischen Lichtquelle und lichtbrechendem Element einen teildurchlässigen Spiegel anzuordnen. Dadurch wird ein Teil des Licht, das von dem Spiegel senkrecht zu dem parallelen Strahlengang zurück geworfen und von dem lichtbrechenden Element fokussiert wird, einer Kamera zugeführt.

Eine darüber hinausgehende Weiterführung der Erfindung besteht darin, in dem Strahlengang zwischen dem lichtbrechenden Element, welches das Licht der Kamera zuführt, und der Kamera selbst mindestens einen Spiegel vorzusehen. Auf diese Weise kann der Strahlengang gewinkelt bzw. gefaltet werden, wodurch sich günstigerweise eine kompakte Ausführungsform der Erfindung realisieren läßt.

Vorteilhafterweise hat die Kamera etwa einen Abstand von dem lichtbrechenden Element, welches ihr das Licht zuführt, der ungefähr der Brennweite desselben lichtbrechenden Elementes entspricht. Dadurch wird das Abbild des zu untersuchenden transparenten Körpers verkleinert und dem Objektiv der Kamera bzw. der lichtempfindlichen Einheit der Kamera stark verkleinert zugeführt.

Bevorzugt werden als lichtbrechende Elemente Fresnel-Linsen verwendet. Die Fresnel-Linsen zeichnen sich durch einen niedrigen Raumbedarf aus, zeigen gute optische Abbildungseigenschaften, haben ein geringes Gewicht, können große Durchmesser haben und sind sehr kostengünstig. Die Verwendung von Fresnel-Linsen verhindert die Belastung der Vorrichtung durch das große Gewicht, welches beispielsweise bei Verwendung normaler Linsen gegeben wäre.

Die Fresnel-Linsen können beispielsweise aus Kunststoff aber auch aus Glas gefertigt sein. Die Form der Fresnel-Linsen kann rund, quadratisch, rechteckig oder auch polygonförmig sein.

Die Lentikulare können aus einem geeigneten transparenten Kunststoff gefertigt sein, ebenso wie aus Glas. Bei der Werkstoffauswahl ist zu berücksichtigen, dass von einer Halogenlampe eine große Wärmestrahlung freigesetzt wird.

Im Folgenden wird eine Ausgestaltung der erfinderischen Vorrichtung mit Hilfe der anliegenden Figuren erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung unter Verwendung von zwei lichtbrechenden Elementen und Spiegel,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines Spiegels senkrecht zu dem parallelen Strahlengang sowie eines teildurchlässigen Spiegels und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführung mit zwei lichtbrechenden Elementen und einer LED-Zeile als Lichtquelle.

In Fig. 1 wird mit der Bezugsziffer 1 eine Lichtquelle (LED) bezeichnet, welche das Licht 14 über einen geneigten Spiegel 2 in Richtung der zueinander gekreuzten Lentikulare 3a und 3b aussendet. Über einen weiteren Spiegel 4 wird das Licht einer Fresnel-Linse 5 zugeführt, welche ein im Wesentlichen paralleles Strahlenbündel im Raum zwischen den Linsen 5 und 6 erzeugt. Ein transparenter Körper 13 (Flasche oder dgl.) schattet einen Teil des Lichts ab oder bricht es. Das Licht 14, welches den transparenten Körper passiert oder durchdringt, wird von der Fresnel-Linse 6 fokussiert und über einen Spiegel 7 einer Kamera 8 zugeführt. Die Kamera 8 nimmt hierbei Bilder der Flasche 13 auf, führt die Bildsignale über eine Signalleitung 9 einer Auswerteeinheit 10 zu. Zum Transport der Flaschen 13 kann ein nicht dargestelltes kontinuierlich antreibbares Förderband verwendet werden.

Durch die geneigte Anordnung der Spiegel 2, 4 und 7 beansprucht die gesamte Inspektionseinrichtung nur wenig Platz. Die beschriebene Ausführungsform kann dahingehend abgewandelt werden, dass die Lichtquelle 1, die Lentikulare 3a, 3b, die Linsen 5, 6 und die Kamera 8 fluchtend auf einer gedachten Achse positioniert werden, wobei dann keinerlei Umlenkspiegel notwendig sind (ähnlich Fig. 3).

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hierbei wird das Licht 14 der sich im Brennpunkt der Linse 5 befindenden Lichtquelle (LED) 1 in Richtung der Lentikulare 3a und 3b ausgesandt. Mittels einer Fresnel-Linse 5 wird ein paralleles Strahlenbündel zwischen der Linse 5 und einem mit Abstand angeordneten Spiegel 11 erzeugt. In dem Raum zwischen der Linse 5 und dem Spiegel 11 befindet sich ein transparenter Körper 13 (Flasche oder dgl.), welcher untersucht werden soll. Das Licht wird von dem transparenten Körper teilweise absorbiert oder gebrochen. Das vom Spiegel 11 zurückreflektierte Licht wird von der Linse 5 erneut gebrochen und hierbei fokussiert.

Über einen teildurchlässigen Spiegel 12 wird ein Teil des Lichts der Kamera 8 zugeführt, die somit Bilder des transparenten Körpers 13 aufnehmen kann. Die Bildsignale werden über Signalleitung 9 einer Auswerteeinheit 10 zugeführt.

Gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung ist es weiterhin möglich Spiegel 2, 4 und 7 gemäß der Fig. 1 ebenso in Fig. 2 zu verwenden. Die Reihenfolge der Lentikulare 3a und 3b ist bei der Ausführung der Erfindung beliebig. Auch die genaue Ausführungsform der Zylinderlinsen ist für die Durchführung der Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Eine einzelne Zylinderlinse des Arrays von Zylinderlinsen kann auf beiden Seiten beliebig konkav, konvex oder plan sein. Entscheidend ist nur, dass durch die Lentikulare eine gleichmäßigere Lichtverteilung erzielt wird.

Entsprechend der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform kann die Lichtquelle 1 als eine LED-Zeile ausgebildet sein, wobei eine zur Hochachse der Flasche 13 annähernd parallele Ausrichtung der LED-Zeilenebene eine besonders gleichmäßige Ausleuchtung der Flasche über ihre gesamte Höhe liefert. Die einzelnen LEDs sind auf einer gekrümmten Linie so angeordnet, dass ihre jeweilige Strahlachse annähernd auf den Brennpunkt 15 der Fresnel-Linse 5 ausgerichtet ist. Wie bei den vorhergehend beschriebenen Ausführungen befinden sich zwischen der Lichtquelle 1 und der Linse 5 zwei um 90° zueinander verdrehte, d. h. gekreuzte Lentikulare 3a, 3b.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur optischen Inspektion von transparenten Körpern, insbesondere von Glas- oder Kunststoffflaschen, welche umfasst:

• a) mindestens eine Lichtquelle,
• b) ein lichtbrechendes Element, welches mindestens das Licht der Lichtquelle bündelt,
• c) mindestens eine Kamera, welche ein Bild des transparenten Körpers aufnehmen kann, dadurch gekennzeichnet, dass in dem optischen Strahlengang zwischen der Lichtquelle und dem ersten lichtbrechendem Element mindestens ein Lentikular vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein zweites Lentikular nahe bei dem ersten Lentikular so vorgesehen ist, dass die beiden Lentikulare gekreuzt zueinander sind.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei in dem Strahlengang zwischen der Lichtquelle und dem Lentikular und/oder in dem Strahlengang zwischen dem Lentikular und dem lichtbrechenden Element mindestens ein Spiegel vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Lichtquelle etwa im optischen Abstand der Brennweite des lichtbrechenden Elements vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der optische Abstand zwischen der Lichtquelle und dem einen oder mehreren Lentikularen in etwa gleich dem optischen Abstand zwischen dem Lentikular oder den Lentikularen und dem lichtbrechenden Element ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein im Wesentlichen telezentrischer Strahlengang vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei als Lichtquelle eine LED, eine LED-Zeile oder eine Halogenlampe vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei als Kamera eine TV-Kamera oder eine CCD-Kamera vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein zweites lichtbrechendes Element vorgesehen ist, welches das Licht der Kamera zuführt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei auf der Schattenseite des zu untersuchenden transparenten Körpers ein Spiegel vorgesehen ist, welcher im wesentlichen senkrecht zum Strahlengang steht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei in dem Strahlengang zwischen Lichtquelle und Lentikular und/oder zwischen Lentikular und lichtbrechendem Element mindestens ein teildurchlässiger Spiegel vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei in dem Strahlengang zwischen demjenigen lichtbrechenden Element, welches das Licht der Kamera zuführt, und der Kamera mindestens ein Spiegel vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Kamera etwa einen optischen Abstand von demjenigen lichtbrechenden Element hat, welches das Licht der Kamera zuführt, der der Brennweite des lichtbrechenden Elements entspricht, welches der Kamera das Licht zuführt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das lichtbrechende Element oder die lichtbrechenden Elemente Fresnel-Linsen sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei eine LED-Zeile mehrere LEDs aufweist, die auf einer gekrümmten Linie so angeordnet sind, dass ihre jeweilige Strahlachse annähernd auf den Brennpunkt des lichtbrechenden Elements ausgerichtet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 15, wobei die LED- Zeilenebene parallel zur Hochachse des transparenten Körpers ausgerichtet ist.