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Die
Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanordnung zum Erzeugen eines
zeilen- oder streifenförmigen
Linienlichts auf einem Gegenstand, wobei die Lichtstrahlen des Linienlichts
entlang einer Lichteinfallebene in Richtung auf den Gegenstand verlaufen, die
sich winklig zum Gegenstand und entlang der Längserstreckung des Linienlichts
auf dem Gegenstand erstreckt, und das Linienlicht aus wenigstens zwei
und insbesondere mehreren Lichtstrahlbündeln zusammengesetzt ist,
deren Lichtstrahlen ausgehend von jeweils einer das jeweilige Lichtstrahlbündel erzeugenden
Leuchteinheit in Richtung auf den Gegenstand in Breitenrichtung
des Lichtstrahlbündels
konvergieren.
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Es
ist bei der Inspektion von bahn- oder plattenförmigen Materialen bekannt,
diese über
die gesamte Breite zeilenförmig
optisch abzutasten. Dazu wird die Bahn mit einem diffusen streifenförmigen Linienlicht
beleuchtet, und das reflektierte Licht belichtet wenigstens einen
lichtempfindlichen Empfänger. Auch
ist es beispielsweise bei der Inspektion von Flachgläsern bekannt,
dass das durch die Flachgläser
hindurch gelassene Licht den lichtempfindlichen Empfänger belichtet.
Dann spricht man von einem Durchlichtverfahren.
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Um
die erforderliche Lichtstärke
aufbringen zu können
müssen
lichtstarke Lichtquellen eingesetzt werden. Für eine Belichtung im Hellfeld
insbesondere im Durchlichtverfahren wird, sofern keine Maßnahmen getroffen
werden, häufig
die Lichtquelle selbst ebenfalls scharf auf dem lichtempfindlichen Empfänger abgebildet.
Abhilfe schafft hier die Beleuchtung nach Prof. August Köhler, bei
welcher die Lichtstrahlen sich in Richtung auf den abzubildenden Gegenstand
und weiter in Richtung auf die Abbildungsoptik annähern. Dahinter
befindet sich der lichtempfindlichen Empfänger. Dadurch wird bewirkt, dass
die Lichtquelle scharf auf die Eintrittspupille der Abbildungsoptik
aber nicht auf dem lichtempfindlichen Empfänger abgebildet wird. Bekannt
ist diese Art der Abbildung insbesondere bei einem Diaprojektor.
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Voraussetzung
für eine
derartige Beleuchtung ist es demnach, dass die Optik zur Erzeugung der
konvergierenden Lichtstrahlen in wenigstens einer Dimension breiter
sein muss als der abzubildende Gegenstand. Dies bereitet bei einem
Gegenstand, der bestimmte Abmessung nicht überschreitet, keine Probleme,
da lediglich eine entsprechend groß dimensionierte Linse zwischen
Lichtquelle und Gegenstand angeordnet zu werden braucht.
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Bei
einer zeilenförmigen
Beleuchtung mit relativ großer
Breite gelingt dies jedoch nicht mehr, da die Linse einerseits und
die Lichtquelle andererseits nicht mehr verfügbar sind. Es ist bekannt,
zur zeilenweisen Inspektion eines Flachglases sowohl die Leuchteinheiten
als auch die lichtempfindliche Empfänger jeweils versetzt anzuordnen.
Dies bringt aber Probleme bei der Ausrichtung der optischen Anordnung
mit sich. Auch baut die optische Anordnung relativ groß.
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Aus
der
US 6,437,357 B1 ist
eine Beleuchtungsanordnung für
die Inspektion von Gläsern
im Hell- und Dunkelfeld bekannt. Die optischen Umlenkmittel sind
als zylindrische Linsensysteme ausgebildet. Eine Erzeugung eines
beliebig langen Linienlichts ist mit einer solchen Anordnung nicht
möglich. Aus
der
DE 25 21 037 A1 ist
eine optischen Anordnung bekannt, bei welchem Licht einer Lichtquelle über mehrere
Spiegel so auf einen Gegenstand geleitet wird, dass ein Linienlicht
erzeugt wird, das sich über
die gesamte Breite des Gegenstands erstreckt. Auf den Gegenstand
trifft jedoch stets divergierendes Licht. Die
US 5,504,544 A beschreibt
ein Projektionssystem, und es fehlt jede Fokussierung auf eine Kamera.
Die
DE 197 31 545
C1 der Anmelderin beschreibt ein optisches Inspektionssystem
mit punktförmigen
Lichtquellen. Es wird hier kein Linienlicht erzeugt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungsanordnung
der eingangs geschilderten Art so auszubilden, dass ein einfacherer
optischer Aufbau bei gleichförmiger
streifen- oder zeilenförmiger
Beleuchtung möglich
ist. Vor allem soll sich die Beleuchtungsanordnung zur zeilenweisen
Inspektionen von bahnförmigen
Materialien oder Flachgläsern
eignen.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
dadurch gelöst,
dass die Leuchteinheiten zweier in der Lichteinfallebene benachbarter
Lichtstrahlbündel
auf sich gegenüberliegenden
Seiten der Lichteinfallebene angeordnet sind, dass die von den Leuchteinheiten
abgestrahlten Lichtstahlbündel
zunächst
winklig zur Lichteinfallsebene verlaufen und wenigstens ein Lichtumlenkmittel
beleuchten, das die winklig zur Lichteinfallebene verlaufenden Lichtstrahlbündel entlang
der Lichteinfallebene umlenkt. Diese Anordnung hat den Vorteil,
dass ein durchgehender langer Lichtstreifen gebildet wird, der aus
einer Richtung einheitlich auf den Gegenstand auftrifft. Eine Beleuchtung aus
unterschiedlichen Winkeln wird vermieden.
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Dabei
ist es besonders günstig,
wenn die jeweils durch ein Lichtstrahlbündel beleuchteten Abschnitte
in Längserstreckung
des Linienlichts auf dem Gegenstand unmittelbar aneinander anschließen oder
sich geringfügig überlappen.
Damit kann eine vollständige
Beleuchtung der gesamten Breite des Gegenstands entlang nur einer
Zeile oder nur einem Streifen erzeugt werden. Hellere und dunklere Bereiche
können
zuverlässig
vermieden werden.
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Zweckmäßig ist
es, wenn bereits die Leuchteinheiten jeweils ein streifen- oder
zeilenförmiges und
sich in Richtung auf den Gegenstand in Breitenrichtung des Lichtstrahlbündels konvergierendes Lichtstrahlbündel erzeugen.
Dazu können
zylindrische, teil- oder halbzylindrische Linsen eingesetzt werden.
Dies hat den Vorteil, dass bereits gebündeltes Licht auf das Lichtumlenkmittel
auftrifft, das dieses nur noch in die Lichteinfallebene umlenkt.
Eine höhere
Beleuchtungsintensität
kann damit erreicht werden.
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Grundsätzlich ist
es günstig,
wenn jede Leuchteinheit eine eigene Lichtquelle aufweist. Als Lichtquelle
können
LED und insbesondere High-Power-LED eingesetzt werden. Diese strahlen
Licht mit hoher Brillianz in einem gut zu bündelnden Lichtkegel aus, so
dass deren Lichtausbeute insbesondere nach der Bündelung in ein streifenförmiges konvergierendes
Lichtbündel
relativ hoch ist.
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Das
Lichtumlenkmittel ist vorzugsweise in der Lichteinfallebene angeordnet.
Es kann als parallel zur Längserstreckung
des Linienlichts auf dem Gegenstand verlaufender prismatischer Körper ausgebildet
sein. Zur Erzeugung eines streifenförmigen Lichts mit endlicher
Ausdehnung von einigen Millimetern bis einigen Zentimetern, beispielsweise
zwischen 5,0 und 20 mm wie bei der Inspektion von Flachgläsern üblich, ist
es günstig,
wenn der prismatische Körper
eine Vielzahl von parallel zur Längserstreckung
des Linienlichts auf dem Gegenstand verlaufende Prismen aufweist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist vorgesehen, dass der prismatische Körper durch
eine optische Lichtleitfolie gebildet wird. Eine solche Lichtleitfolie
ist beispielsweise aus der
US-PS
4,750,798 bekannt und von der 3M Corporation, St. Paul,
Minn. erhältlich.
Hier ist auf einer dünnen
Folie eine Vielzahl von im Querschnitt dreieckigen prismatischen
Erhebungen in parallelen Reihen angeordnet. Ein parallel zu der
Längsachse
und schräg
auf die Flachseite auftreffendes Lichtbündel wird umgelenkt in eine
Strahlenrichtung senkrecht zur Flachseite der Lichtleitfolie.
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Es
kann vorgesehen werden, dass das Licht durch Lichtbrechung im prismatischen
Körper
entlang der Lichteinfallebene umgelenkt wird. Alternativ ist es
möglich,
diesen Effekt mit reflektierenden Mitteln, beispielsweise verspiegelten
oder total reflektierenden Prismen, oder mit diffraktiven Mitteln,
beispielsweise Liniengittern, zu erzielen. In jedem Fall ist es
möglich,
zwei versetzt und von gegenüber
liegende Seiten auf den prismatischen Körper auftreffende Lichtstrahlbündel in
eine gemeinsame Richtung umzulenken.
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Die
Erfindung betrifft auch eine optische Anordnung für die optische
Inspektion eines Gegenstands entlang einem zeilen- oder streifenförmigen Linienlicht,
das mit einer Beleuchtungsanordnung gemäß der oben erläuterten
Art erzeugt wird. Hier wird vorgeschlagen, dass das an dem Gegenstand
reflektierte oder durchgelassene Licht wenigstens zwei und insbesondere
eine Vielzahl von lichtempfindlichen Empfängern belichtet, die in Richtung
der Längserstreckung
des Linienlichts nebeneinander angeordnet sind. Eine versetzte Anordnung
der lichtempfindlichen Empfänger
ist daher nicht mehr erforderlich. Vielmehr kann nunmehr sogar vorgesehen werden,
dass die lichtempfindlichen Empfänger
nebeneinander im Wesentlichen entlang einer Linie angeordnet sind,
die parallel zur Längserstreckung
des Linienlichts auf dem Gegenstand verläuft. Dies hat den Vorteil,
dass gleichartige Kameras an nur einem Träger montiert zu werden brauchen.
Ein Einstellen der Optik auf die abzubildende Zeile ist daher wesentlich
einfacher und genauer möglich.
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Grundsätzlich ist
es zweckmäßig, wenn
jeder Leuchteinheit ein lichtempfindlicher Empfänger zugeordnet ist. Damit
kann jeder lichtempfindliche Empfänger optimal mit hoher Leuchtstärke belichtet werden.
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Besonders
günstig
ist es, wenn die Beleuchtungsanordnung und die lichtempfindlichen
Empfänger
derart ausgerichtet und eingestellt sind, dass ein zusammenhängender
zeilen- oder streifenförmiger Bereich
des Gegenstands abschnittsweise gleichzeitig auf die lichtempfindlichen
Empfänger
abgebildet wird. Dabei ist es günstig,
wenn die beleuchteten Abschnitte in Längserstreckung des Linienlichts
auf dem Gegenstand unmittelbar aneinander angrenzen und jeweils
ein Abschnitt auf dem zugeordneten lichtempfindlichen Empfänger abgebildet
wird. Alternativ kann vorgesehen werden, dass sich die beleuchteten Abschnitte
in Längserstreckung
des Linienlichts auf dem Gegenstand geringfügig überlappen und ein Abschnitt
zusammen mit den überlappten
Randbereichen des oder der benachbarten beleuchteten Abschnitte
auf dem zugeordneten lichtempfindlichen Empfänger abgebildet wird. In jedem
Fall wird erreicht, dass eine zusammenhängende Zeile bei im Wesentlichen
gleichförmiger
Beleuchtung gleichzeitig unter den gleichen Bedingungen auf mehrere lichtempfindliche
Empfänger
verteilt abgebildet wird. Störungen
aufgrund ungenauer Randbereiche oder aufgrund anderer Lichteinfallswinkel
nebeneinander liegender Abschnitte werden zuverlässig vermieden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 die
Frontansicht in Richtung des Pfeils I in
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2 einer
optischen Anordnung gemäß der Erfindung,
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2 die
Seitenansicht in Richtung des Pfeils II der optischen Anordnung
gemäß 1,
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3 die
Draufsicht in Richtung des Pfeils III auf die optische Anordnung
gemäß 1 und
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4 die
Einzelheit X in 2 in vergrößerter Darstellungsform.
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Die
in der Zeichnung dargestellte optische Anordnung zur Inspektion
eines durchsichtigen flächigen
Gegenstands, beispielsweise eines Flachglases 11 in der
Displayfertigung umfasst eine Vielzahl von lichtempfindlichen Empfängern oder
Sensoren 12, die in üblicher
weise in einem entsprechenden Gehäuse einer insbesondere elektronischen
Kamera 13, 23 angeordnet sind. Es sind eine der
Anzahl der Kameras entsprechende Anzahl von Leuchteinheiten 14, 24 vorhanden,
durch die das Flachglas beleuchtet wird derart, dass das durch das
Flachglas gelassene Licht den lichtempfindlichen Empfänger belichtet.
Das Flachglas 11 wird dabei entlang seiner Breite senkrecht
zur Vorschubrichtung 15 zeilenförmig abgetastet. Befindet sich
eine Fehlstelle im Flachglas wird diese durch entsprechende Auswerteelektroniken
erkannt und angezeigt. Insoweit entspricht die optische Anordnung
einem herkömmlichen
Inspektionssystem und bedarf keiner weiteren Erläuterung.
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In
der Zeichnung ist das Durchlichtverfahren zur Prüfung durchlässiger Medien 11 gezeigt.
Ein vom Prinzip her gleicher Aufbau ist auch im Reflexionsverfahren beispielsweise
zum Prüfen
reflektierender Oberflächen
möglich.
Hier befinden sich Kameras und Leuchteinheiten auf derselben Seite
des zu prüfenden
Gegenstands.
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Im
Einzelnen ist die Anordnung so getroffen, dass die Leuchteinheit 14, 24 eine
Lichtquelle 16 und wenigstens eine optische Linse 17 umfasst,
die so ausgebildet ist, dass die von der Leuchteinheit in Richtung
auf das Flachglas 11 ausgestrahlten Lichtstrahlen 18 in
Richtung auf die Abbildungsoptik 19 konvergieren. Der jeweils
von einer Leuchteinheit beleuchtete und auf dem lichtempfindlichen
Empfänger 12 durch
die Abbildungsoptik 19, in der Regel das Objektiv, abgebildete
Abschnitt 20 des Flachglases ist daher bezüglich seiner
Breite kleiner als die zugeordnete Breite der Linse 17.
Durch diesen optischen Aufbau ist es möglich, den Abschnitt 20 auf
dem lichtempfindlichen Empfänger
ohne die dahinter befindliche Lichtquelle 16 scharf abzubilden.
Diese wird scharf auf die Eintrittspupille der Abbildungsoptik 19 abgebildet.
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Da
die Linse 17 breiter ist als der abzubildende Abschnitt 20 können die
Leuchteinheiten nicht unmittelbar nebeneinander angeordnet werden,
wenn eine lückenlose
Abtastung erreicht werden soll. Es ist daher eine versetzte Anordnung
der Leuchteinheiten 14, 24 erforderlich, um eine
entlang der Breite des Flachglases lückenlose Abtastung zu ermöglichen.
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Es
ist jedoch günstig,
wenn die Abtastung entlang eines durchgehenden Linienlichts erfolgt. Hierfür ist vorgesehen,
dass die Leuchteinheiten 14, 24 jeweils auf gegenüberliegenden
Seiten einer Lichteinfallebene 21 des Linienlichts angeordnet sind,
die sich winklig zum Gegenstand und parallel zur Breite des Gegenstands erstreckt.
Es sind Lichtumlenkmittel 22 zwischen den Leuchteinheiten 14, 24 vorhanden,
das parallel zur Breite des Flachglases 11 verläuft und
die Lichtstrahlen 18 in Richtung der Lichteinfallsebene
umlenken. Damit ist es möglich,
von versetzt angeordneten Leuchteinheiten 14, 24 kommendes
Licht in eine gemeinsame Ebene zu lenken. Das so erzeugte Linienlicht
setzt sich aus mehreren Lichtstrahlbündeln 25 zusammen,
die so ausgerichtet sind, dass in der Lichteinfallebene 21 benachbarte
Lichtbündel
jeweils unmittelbar nebeneinander liegende Abschnitte 20 beleuchten.
Es wird auf dem Gegenstand ein durchgehendes Linienlicht erzeugt,
das über
seine gesamte Länge
in einem gleichen Einfallswinkel auftrifft. Bei der in 2 gezeigten
Anordnung trifft das Linienlicht in einem rechten Winkel auf den
Gegenstand. Die Länge
des Linienlichts erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Breite des
Gegenstands.
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Das
Lichtumlenkmittel ist als streifenförmige Lichtleitfolie ausgebildet,
die eine Flachseite 26 und auf der gegenüberliegenden
Seite eine Vielzahl von im Querschnitt dreieckigen prismatischen
Vorsprüngen 27 aufweist,
die parallel zur Längserstreckung der
Folie, also in 4 senkrecht zur Zeichenebene, verlaufen.
Ein auf die Flachseite 26 in einem bevorzugten Winkelbereich
auftreffender Lichtstrahl 28 wird im Wesentlichen senkrecht
zur Flachseite verlaufend umgelenkt. Wird eine solche Folie durch
ein streifenförmiges
Lichtbündel
schräg
beleuchtet, wird ein entsprechend streifenförmiges Lichtbündel senkrecht
zur Flachseite 26 abgegeben. Wegen der Symmetrie der Lichtleitfolie
relativ zur Mittenebene der Flachseite 26 ist dies unabhängig davon,
von welcher Seite, also in 4 von links
oder rechts, das Licht einfällt.
Bei in Längsrichtung
versetzt auftreffenden Lichtstrahlbündeln wird demnach ein durchgehendes Lichtstrahlbündel mit
einem Verlauf senkrecht zur Flachseite 26 erzeugt, das
sich in Längsrichtung
abwechselnd zusammensetzt aus einem Lichtstrahlbündel 28 links und
einem Lichtstrahlbündel 29 rechts
von der Mittenebene 30.
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Die
Anordnung der lichtempfindlichen Empfänger 12 und die Einstellung
des Objektivs 19 sowie die Abmessungen der Kameras 13, 23 sind
so gewählt,
dass jeweils ein Abschnitt 20 auf einem lichtempfindlichen
Empfänger
abgebildet und benachbarte Abschnitte 20 von zwei unmittelbar
benachbarten Kameras aufgenommen werden. Die Kameras 13, 23,
die jeweils von den zur Lichteinfallebene 21 versetzt angeordneten
Leuchteinheiten 14, 24 belichtet werden, sind
daher entlang einer Linie montiert, die parallel zur Breite des
Flachglases verläuft.
Damit wird das Ausrichten und Einstellen der optischen Anordnung
vereinfacht.
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Die
Leuchteinheiten 14, 24 umfassen jeweils eine Lichtquelle 16,
die vorzugsweise als so genannte High-Power-LED ausgebildet ist. Es können nicht gezeigte
halbzylindrische Linsen vorhanden sein, die den Lichtstrahlkegel
in ein streifenförmiges
Lichtstrahlbündel
umlenken. Damit wird eine hohe Lichtausbeute erreicht, da nahezu
das gesamte Licht letztlich streifenförmig auf den Gegenstand auftrifft.