DE10062784C2 - Verfahren zur optischen Inspektion von transparenten Körpern - Google Patents
Verfahren zur optischen Inspektion von transparenten KörpernInfo
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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 A1 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.
Aus JP-11002598 A ist eine Beleuchtungsvorrichtung bekannt,
bei der ein zu untersuchender Gegenstand von einer ringförmig
ausgebildeten Beleuchtungseinheit bestrahlt wird. Zwischen
deren Leuchtmitteln und dem Gegenstand befinden sich
gekreuzte Lentikulare und eine die Lichtstrahlen auf den
Gegenstand konzentrierende Fresnel-Linse. Sowohl die
Beleuchtungseinheit als auch die Lentikulare und die Fresnel-
Linse besitzen eine konzentrische Öffnung, durch die der zu
untersuchende Gegenstand von einer Kamera aufnehmbar ist, d. h.
die Abbildung erfolgt im Auflichtverfahren. Diese
Vorrichtung ist nachteiligerweise nicht zur
Durchlichtbetrachtung transparenter Gegenstände, wie Flaschen
oder dgl. geeignet.
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 LED-
Zeile bzw. eines LED-Arrays möglich. Eine LED zeichnet sich
vorteilhafterweise dadurch aus, dass mit einem
vergleichsweise niedrigen Energieaufwand eine hohe
Lichtausbeute erreicht werden kann. Auch der Einsatz von
Lasern bzw. 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 (14)
1. Vorrichtung zur optischen Inspektion von transparenten
Körpern (13), insbesondere Glas- oder
Kunststoffflaschen, welche umfasst:
mindestens eine Lichtquelle (1), die aus mehreren LEDs besteht, die auf einer gekrümmten Linie so angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Strahlenachsen annähernd auf den Brennpunkt (15) eines ersten lichtbrechenden Elements (5), das das Licht der Lichtquelle (1) bündelt, ausgerichtet sind,
mindestens ein Lentikular (3a, 3b), das sich im Strahlengang zwischen der Lichtquelle (1) und dem ersten lichtbrechenden Element (5) befindet,
ein zweites lichtbrechendes Element (6), das die Strahlung weiterleitet, die den transparenten Körper (13) durchdringt,
mindestens eine Kamera (8) zur Aufnahme eines Bildes des transparenten Körpers (13).
mindestens eine Lichtquelle (1), die aus mehreren LEDs besteht, die auf einer gekrümmten Linie so angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Strahlenachsen annähernd auf den Brennpunkt (15) eines ersten lichtbrechenden Elements (5), das das Licht der Lichtquelle (1) bündelt, ausgerichtet sind,
mindestens ein Lentikular (3a, 3b), das sich im Strahlengang zwischen der Lichtquelle (1) und dem ersten lichtbrechenden Element (5) befindet,
ein zweites lichtbrechendes Element (6), das die Strahlung weiterleitet, die den transparenten Körper (13) durchdringt,
mindestens eine Kamera (8) zur Aufnahme eines Bildes des transparenten Körpers (13).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein zweites
Lentikular nahe bei dem ersten Lentikular so vorgesehen
ist, dass die beiden Lentikulare (3a, 3b) gekreuzt
zueinander sind.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei in
dem Strahlengang zwischen der Lichtquelle (1) und dem
mindestens einen Lentikular (3a, 3b) und/oder in dem
Strahlengang zwischen dem mindestens einen Lentikular
(3a, 3b) und dem ersten lichtbrechenden Element (5)
mindestens ein Spiegel vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die
Lichtquelle (1) annähernd im optischen Abstand der
Brennweite des ersten lichtbrechenden Elements (5)
vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der
optische Abstand zwischen der Lichtquelle (1) und dem
einen oder mehreren Lentikularen (3a, 3b) annähernd
gleich dem optischen Abstand zwischen dem Lentikular
oder den Lentikularen (3a, 3b) und dem ersten
lichtbrechenden Element (5) ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein
annähernd telezentrischer Strahlengang vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei als
Kamera (8) eine TV-Kamera oder eine CCD-Kamera
vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein
zweites lichtbrechendes Element (6) vorgesehen ist,
welches das Licht der Kamera (8) zuführt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei auf
der Schattenseite des zu untersuchenden transparenten
Körpers (13) ein Spiegel vorgesehen ist, welcher
annähernd senkrecht zum Strahlengang steht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei in dem Strahlengang
zwischen der Lichtquelle (1) und dem mindestens einem
Lentikular (3a, 3b) und/oder zwischen dem mindestens
einen Lentikular (3a, 3b) und dem ersten lichtbrechendem
Element (5) mindestens ein teildurchlässiger Spiegel
vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei in
dem Strahlengang zwischen dem zweiten lichtbrechenden
Element (6), welches das Licht der Kamera (8) zuführt,
und der Kamera (8) mindestens ein Spiegel vorgesehen
ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die
Kamera (8)annähernd einen optischen Abstand von dem
zweiten lichtbrechenden Element (6) hat, welches das
Licht der Kamera (8) zuführt, der der Brennweite des
zweiten lichtbrechenden Elements (6) entspricht, welches
der Kamera (8) das Licht zuführt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das
lichtbrechende Element oder die lichtbrechenden Elemente
(5, 6) Fresnel-Linsen sind.
14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis
13, wobei die Ebene einer LED-zeile parallel zur
Hochachse des transparenten Körpers (13) ausgerichtet
ist.
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DE2000162784 DE10062784C2 (de) | 2000-12-15 | 2000-12-15 | Verfahren zur optischen Inspektion von transparenten Körpern |
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