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Bei
der vorliegenden Erfindung auf dem Gebiet der Lichttechnik handelt
es sich um eine Inspektionsbeleuchtungsvorrichtung, die mittels
einfacher Umlenkung ein gleichmäßig verteiltes
indirektes und gerichtetes Licht erzeugt, welches je nach Einstellung
sogar in eine Richtung annähernd parallel ist. Der Beleuchtungskörper
besteht aus einer abgeschirmten Lichtquelle und einer halbschalenartig
gewölbten Reflexionsfläche, welche als kompakte
Anlage in ein gemeinsames Gehäuse eingebaut sind.
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Der
Erfindung liegt zugrunde, dass die Qualität von Vormaterial,
Werkstücken und fertigen Produkten in Industrie und Handwerk
wird sowohl in optischer als auch funktioneller Hinsicht häufig
nach der Beschaffenheit der Oberfläche beurteilt. Ziel
der Erfindung ist es, dies schneller und sicherer zu ermöglichen
und dabei dennoch kompakter als vergleichbare Systeme zu sein.
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Durch
das gerichtete Licht der Erfindung erzeugen auch kleinste Unebenheiten
in der Oberfläche gut wahrnehmbare Kontraste in Form von
Spitzlichtern und Schatten. Die gleichmäßige Lichtverteilung
sorgt dagegen dafür, dass Farb-, Helligkeits- und Glanzgradunterschiede
besonders hervorgehoben werden.
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Der
erfindungsgemäße Beleuchtungskörper macht
somit Oberflächenfehler sichtbar.
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Somit
ist die Beleuchtungsanlage sowohl für die visuelle als
auch für die kameragestützte Materialprüfung
geeignet. Ihr Einsatz kann an Inspektionsarbeitsplätzen
mit manuellem oder automatischem Teiletransport gleichermaßen
erfolgen.
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Stand der Technik
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Die
Erzeugung parallelen Lichts kann durch einfache Umlenkung mit einer
punktförmigen Lichtquelle und einem Parabolspiegel (innen
reflektierender Rotationsparaboloid) geschehen. Dieses Prinzip findet
bei technischen Leuchten weite Verbreitung, z. B. bei Kraftfahrzeugscheinwerfern
und Strahlern zur gezielten Ausleuchtung in der Architektur. Leuchten mit
Parabolspiegeln als Reflektor haben systembedingt runde Lichtaustrittsflächen.
Somit ist ihr Licht eher spotartig und nicht flächig, mit
einem sehr hellen Mittelpunkt und stark abfallenden Rändern;
es ist deswegen in der Qualitätskontrolle aufgrund seiner ungleichmäßigen
Verteilung nur bedingt einsetzbar.
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Eine
flächige Ausleuchtung wird dagegen durch längliche
Reflektoren in Verbindung mit länglichen Leuchtmitteln
erreicht. Bereits
DE
1740866 U beschreibt eine Langfeldleuchte mit einem länglichen,
im Querschnitt parabolischen Reflektor. Die Form dieses Reflektors
entsteht also nicht durch Drehung, sondern durch translatorische
Verschiebung einer Parabel, ein „halbschalenartig" gewölbtes Blech
also. Diese Bauform bezeichnet man auch als Parabolrinne. Im Falle
von
DE 1740866 U wird
dabei biegsames Material durch Formstücke gehalten. Das stabförmige
Leuchtmittel liegt dabei auf der Brennlinie des Reflektors. Damit
ist das dort erzeugte Licht zumindest in einer Dimension annähernd
parallel.
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DE 8900441 U1 behandelt
eine Beleuchtungsanlage für die visuelle Qualitätskontrolle,
bei der die Lichtquellen baulich getrennt von der Reflexionsfläche
montiert sind. Die Reflexionsfläche ist nur längsseitig „konkav
gekrümmt, während sie am [...] Ende in einen geraden
Abschnitt übergeht". Die Reflexionsfläche ist
in eine Vielzahl einzeln reflektierender Lamellen unterteilt. Durch
diese Technik lassen sich beliebig große zusammenhängende
Reflexionsflächen erstellen. Eine Verstellmöglichkeit
der Reflexionsfläche erlaubt die Veränderung der „Ausleuchtung über
die Länge". Die Mechanik dazu befindet sich dabei vollständig
auf der der Lichtquelle abgewandten Seite der Reflexionsfläche.
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Eine
Weiterentwicklung dieser Beleuchtungsanlage erfolgte u. a. in
EP 1205744 A1 .
Durch vielfältige Verstellmöglichkeiten kann die
Lichtführung gezielt angepasst werden. Der Einsatz von
zusätzlichen Reflektoren und Spiegeln ermöglicht
auch eine dreidimensionale Ausleuchtung körperhafter Werkstücke.
Aber auch hier ist die Reflexionsfläche ohne genaue Definition
der angestrebten geometrischen Form „in Richtung Strahlungsquelle
konkav gewölbt".
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Längliche
Reflektoren mit Verstellmöglichkeit sind u. a. aus
DE 10 2004 017 545
A1 und
DE
20 2006 008 938 U1 bekannt. Bei beiden sind die Reflektorwände
jeweils um einen Punkt drehbar ausgeführt. Damit wird die
Lichtverteilung verändert.
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Parabolische
Reflektoren sind schwierig zu berechnen und herzustellen. Außerdem
sind sie wenig fehlertolerant, d. h. auch kleinere Maßabweichungen
führen zu größeren Unterschieden in der
Lichtführung. Deswegen ersetzen in anderen Anwendungsgebieten
häufig auf kreis- oder kugelförmige Konstruktionen
parabolische Grundformen (zum Beispiel Kugelspiegel). Physikalisch
gesehen entsteht jedoch bei jeder Abweichung von der Parabelform eine
Aberration. Mit diesem Effekt beschreibt man die Abweichung der
Strahlenreflexion vom Ideal.
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Im
Scheitelpunkt der Grundform ist die Abweichung (und damit die Aberration)
gleich null, steigt jedoch mit zunehmendem Abstand davon an, wie
in 1 dargestellt: Der imaginäre Brennpunkt
F eines Kreisbogens liegt auf der Hälfte seines Radius
(zwischen Kreismittelpunkt und dem Mittelpunkt des Bogens, welcher
den Scheitelpunkt S darstellt). Im Vergleich zu einer Parabel P
mit gleicher Brennweite ist ein Kreisbogen etwas stärker
gekrümmt. Demzufolge liegt eine Parabel P, die ihren Scheitelpunkt
S mit dem des Kreisbogens K gemeinsam hat, zwischen diesem Kreisbogen
K und der Tangente T durch den Scheitelpunkt S in 1.
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Insofern
kann eine Verstelleinrichtung des Reflektors auch dazu dienen, die
zuvor erläuterten Probleme zu lösen (wie bei der
hier beschriebenen Erfindung beabsichtigt).
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Ein
weiteres Problem in der Praxis ist die Abschwächung der
Wirkung des gerichteten Lichts durch andere Lichtarten. Denn sofern
das Leuchtmittel nicht zur Lichtaustrittsfläche hin abgeschirmt
ist, wird das durch den Reflektor gerichtete Licht durch direktes
Licht überlagert, es entsteht ein Mischlicht mit gerichteten
und diffusen Anteilen.
DE
29906806 U1 beschäftigt sich mit einem Flächenstrahler,
dessen stabförmiges Leuchtmittel eine Abschirmung erhält,
die den direkten Blick auf das Leuchtmittel von außen verhindert
und gleichzeitig die direkten Lichtanteile absorbiert. Eine Blendung
kann nur entstehen, sofern der Betrachter genau entgegen die Lichtrichtung
blickt. Durch eine geeignete Positionierung kann dieses Risiko minimiert
werden. Im Falle von
DE
29906806 U1 handelt es sich um eine Wandleuchte, die in
einem spitzen Winkel zur Wand hin nach oben oder unten strahlt.
Bei vorschriftsmäßiger Installation und Gebrauch
kann der Anwender nicht in die Leuchte sehen.
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Aber
auch durch externe Lichteinflüsse kann eine Abschwächung
des gewünschten Effekts (bis hin zur Überstrahlung)
entstehen. Fremdlicht ist somit auszuschließen.
EP 1205744 A1 erwähnt
dazu eine Umhausung des Arbeitsbereichs der Beleuchtungsanlage.
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Anwendung, Vorteile und nähere
Beschreibung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Beleuchtungskürper kann
als Einzelleuchte oder in Kombination betrieben werden; dies bestimmt
sich durch den Lichtbedarf, die Größe der auszuleuchtenden
Fläche und der speziellen Sehaufgabe. Die Anordnung soll
die üblicherweise eingenommene Position des Betrachters
und die Reflexionseigenschaften der Prüfobjekte so berücksichtigen,
dass keine Blendung entstehen kann. Blendung ist nicht nur für
die Zuverlässigkeit der Kontrollaufgabe schädlich,
sondern führt auch auf Dauer zur Überanstrengung
des Auges.
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Das
Licht des erfindungsgemäßen Beleuchtungskörpers
kann auch für die Betrachtung und Fehlererkennung mit Kameras
eingesetzt werden. Kameras haben bis zum heutigen Stand der Technik
in der Regel einen geringeren Kontrastumfang als das menschliche
Auge. Die durch die sehr kontrastreiche Ausleuchtung erzeugten Schatten
und Spitzlichter werden deshalb auf Bildschirmen verstärkt
angezeigt und helfen dabei sowohl dem menschlichen Auge als auch
computergestützten automatischen Fehlererkennungssystemen,
Unregelmäßigkeiten aufzudecken.
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Auch
bei der nicht automatischen Sortierung empfiehlt sich die Betrachtung über
ein Videosystem, wenn die Kontrolle der Werkstücke an einem
gefährlichen oder schwer zugänglichen Ort stattfinden
soll. In diesem Fall kann eine Kamera an der Prüfstelle
die Bilder auf einen Monitor in einer sicheren bzw. ergonomischeren
Umgebung übertragen.
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Die
Erfindung besteht im Wesentlichen aus einem länglichen,
im Querschnitt parabelförmigen Reflektor (Parabolrinne),
welcher die Eigenschaft hat, die Lichtstrahlen der auf seiner Brennlinie
angeordneten Lichtquelle nach vorne hin flächig und gerichtet
abzugeben (2).
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Parabolische
Reflektoren sind jedoch schwierig zu berechnen und herzustellen.
Außerdem sind sie wenig fehlertolerant. Der Reflektor wird
deswegen wie in Patentanspruch 1 beschrieben verstellbar ausgeführt.
Dabei wird die Reflexionsfläche in ihrer Krümmung
durch einen kreisbogenförmigen Grundrahmen begrenzt. Sie
wird mit dem Rahmen nur am Scheitel starr befestigt.
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Eine
Stellvorrichtung sorgt für die stufenlose Einstellung der
Krümmung der Äste. Da das Trägerblech
bei Entspannung bestrebt ist, seine flache Ausgangsform zu erreichen
und durch die Befestigung entlang seines Scheitels tangential anliegt,
kann die Stellvorrichtung wahlweise auf Druck oder Zug in Richtung
des Grundrahmens wirken.
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Hierzu
kann auf der dem Leuchtmittel abgewandten Seite des Reflektors ein
weiterer Rahmen mit geringerer Krümmung als der des Grundrahmens montiert
werden. Durch Gewindebohrungen werden Maschinenschrauben eingeführt,
welche den Reflektor in Richtung des Grundrahmens drücken.
Alternativ können Maschinenschrauben den Reflektor zum Grundrahmen
hinziehen. Dazu muss der Reflektor mit Bohrungen größeren
Durchmessers als den der Schrauben und der Grundrahmen mit Gewindebohrungen
versehen werden. Die Schrauben werden sodann von der dem Leuchtmittel
abgewandten Seite des Reflektors eingeführt. In allen Fällen
können Schraubenmuttern zur Arretierung der Position eingesetzt
werden.
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Dadurch
lässt sich die Lichtführung bereits bei der Planung,
aber auch nach der Herstellung und Installation der Beleuchtungsanlage
beeinflussen. Insbesondere lässt sich die Form des Reflektors
erfindungsgemäß in die Form der Parabolrinne bringen.
Durch die Feineinstellmöglichkeit der Schraubvorrichtung
kann eine sphärische Aberration erheblich minimiert bzw.
sogar vollständig eliminiert werden. Die Einstellungen
können auch nachträglich verändert oder
wiederhergestellt werden, wenn eine Beschädigung oder eine
unbeabsichtigte Verstellung bzw. veränderte Einsatzbedingungen
dies erfordern.
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Die
Reflektionsfläche kann nach Patentanspruch 10 auch aus
einer Vielzahl schmaler Lamellen bestehen, welche in Längsrichtung
auf einem rechteckigen Trägerblech in regelmäßigen
Abständen und möglichst nah beieinander befestigt
sind. Dadurch lassen sich beliebig große Reflexionsflächen
herstellen. Werden die Lamellen zudem noch in ihrer Neigung verstellbar
ausgeführt, lässt sich die Lichtführung
noch feiner einstellen.
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Der
erfindungsgemäße Effekt des auf einer rechteckigen
Fläche gleichmäßig verteilten, gerichteten
und zumindest in eine Richtung annähernd parallelen Lichts
tritt ein, wenn gemäß Patentanspruch 3 eine stabförmige
Lichtquelle (das können nach Patentanspruch 6 ein oder
mehrere stabförmige Leuchtmittel hintereinander sein) entlang
der Brennlinie des parabolisch justierten Reflektors liegt.
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Eine
Parallelverschiebemöglichkeit der Lichtquelle nach Patentanspruch
4 erlaubt alternativ auch andere Lichtführungen. Diese
Einrichtung berücksichtigt, dass Sichtprüfungen
von Oberflächen unterschiedlichen Bedingungen unterworfen
sind, die unterschiedliche Lichtführungen erfordern. Insbesondere
bei gekrümmten bzw. zylindrischen Oberflächen (wie
zum Beispiel die Produktionswalzen in einem Stahlwerk) lässt
sich das Licht durch einen veränderten Fokus an die Krümmung
anpassen.
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Dem
Patentanspruch 2 liegt dagegen das Problem zugrunde, dass die übliche
horizontale oder vertikale Montage des Beleuchtungskörpers
eine schräge Lichtrichtung normalerweise nicht erlaubt. Durch
die Möglichkeit der außermittigen Befestigung des
Scheitels kann eine schräg in die Lichtaustrittsfläche
eintauchende, asymmetrische Parabelform erzeugt werden, die das
Licht nicht senkrecht, sondern in einem spitzen Winkel abstrahlt,
wie in 3 dargestellt. Dadurch wird die Lichtführung
unabhängiger von einer eventuell vorgeschriebenen Montageposition.
Auch bei schräg einfallendem Licht kann eine platzsparende
vertikale oder horizontale Montage erfolgen.
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Neben
dem erfindungsgemäßen gerichteten Licht würde
einen Beleuchtungskörper dieser Bauart auch unkontrolliertes,
direktes Licht verlassen. Dadurch kommt es zu einer ungewollten Überlagerung mit
dem gerichteten Licht (Mischlicht) und ggf. auch zu einer Blendung
des Betrachters. Durch die Vermischung der Lichtarten würde
der mühsam erreichte Effekt der Sichtbarmachung der Oberflächenunregelmäßigkeiten
wieder in seiner Wirkung beeinträchtigt. Auch die Blendung
des Betrachters hat zur Folge, dass die Sehleistung und die Konzentration
abnehmen, das Auge schneller ermüdet und ggf. asthenoptische
Beschwerden auftreten. Deshalb sieht die Erfindung Abschirmungsmaßnahmen
nach den Patentansprüchen 7, 8, 9 und 13 vor. Dadurch wird
sichergestellt, dass nur gerichtetes Licht den Beleuchtungskörper
verlässt und Blendung des Anwenders vermieden wird.
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Das
Empfindlichkeitsmaximum des hell adaptierten Auges (photopisches
Sehen) liegt bei einer Wellenlänge von 555 nm (grün).
Vorzugsweise sind deshalb Leuchtmittel mit Tageslichtqualität
(Farbtemperatur größer als 5000 K und Farbwiedergabeindex größer
als 90) einzusetzen; dies ist im Sinne eines besseren Arbeitsergebnisses
und der gleichzeitigen ergonomischen Vorteile für die Anwender.
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Auf
dem Markt sind heute spezielle Leuchtstofflampen erhältlich,
deren Qualität auch hohen Ansprüchen in der gewerblichen
Farbbeurteilung (z. B. in der Druck- oder Automobilindustrie) genügt.
Alternativ können andere stabförmige Leuchtmittel
mit passenden Vorschalt- und Dimmgeräten zum Einsatz kommen.
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Dabei
erlaubt die Dimmvorrichtung der Lichtquelle nach Patentanspruch
11 die Anpassung der Lichtmenge an Mensch und Material. Die Einstellung hängt
somit von dem Reflexionsgrad des Materials, aber auch von den persönlichen
Vorlieben des Bedieners ab. Grundsätzlich soll mit möglichst
geringer Lichtstärke (das heißt bei weit geöffneter
Pupille im unteren Bereich des photopischen Sehens) gearbeitet werden,
um das Auge zu entspannen und die Sehleistung zu erhöhen.
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Zur
Beleuchtung von nicht flachen Betrachtungsobjekten kann der in der
Erfindung beschriebene Beleuchtungskörper mit Reflexionsflächen
und Spiegeln nach Patentanspruch 14 und 4 kombiniert
werden. Die zusätzlichen Reflexionsflächen werden
dem Beleuchtungskörper so beigeordnet, dass sie einen Teil
des Lichts in Richtung der Lichtaustrittsfläche abgewandten
Seiten eines Betrachtungsobjektes umlenken. Die Spiegel ermöglichen
dem Betrachter den Blick auf die ihm abgewandten Seiten.
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Neben
der Abschirmvorrichtung des Beleuchtungskörpers ist eine
weitere Voraussetzung für optimale Ergebnisse des erfindungsgemäßen
Aufbaus eine wirksame Abschottung des Arbeitsplatzes gegen Fremdlicht
nach Patentanspruch 15. Denn das gerichtete Licht würde
durch den Einfall diffusen Fremdlichts überlagert und damit
in ihrer Wirkung beeinträchtigt.
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Weiterhin
werden durch die Fremdlichtabschottung gleich bleibende Lichtbedingungen
geschaffen, so dass einer ständigen Anpassung des Auges
vorgebeugt wird. Und letztendlich kann durch den Ausschluss sehr
starker externer Lichtquellen bzw. Tageslicht die Beleuchtungsstärke
im Arbeitsbereich weiter gesenkt werden, was enorme ergonomische
Vorteile hat. Das Auge arbeitet mit weit geöffneter Pupille,
die Iris ist entspannt.
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Durch
die bessere Ausleuchtung in Kombination mit der Fremdlichtabschottung
ergibt sich also auch der ergonomische Vorteil des ermüdungsfreien Sehens.
Dadurch ist das menschliche Auge auch über längere
Zeiträume (z. B. über die Dauer einer Arbeitsschicht)
in der Lage, die anstrengende Aufgabe der Sichtprüfung
ohne nachlassende Konzentration durchzuführen. Da auch
bei richtiger Ausführung und Anordnung des erfindungsgemäßen
Aufbaus keine Blendung entsteht, werden durch die Überanstrengung
des Auges hervorgerufene zeitweise Beeinträchtigungen der
Sehfähigkeit (asthenoptische Beschwerden) vermieden. Die
normalerweise mit derart konzentrierten Sehaufgaben verbundenen Einschränkungen
der Lebensqualität (z. B. bei der abendlichen Lektüre)
und Unfallgefahren (innerhalb des Betriebes und auf dem Nachhauseweg)
entfallen bei Einsatz dieser Erfindung.
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Die
größten Vorteile der Erfindung liegen jedoch auf ökonomischer
Seite. Durch das gerichtete Licht der Erfindung lassen sich bei
der visuellen und kameragestützten Qualitätskontrolle
Fehler schnell und sicher erkennen. Dies betrifft insbesondere die ansonsten
zeitaufwendigen Grenzfälle. Somit können die Prüfzeiten
verringert und somit die Kapazität erhöht werden.
Durch die sichere Erkennung wird vermieden, dass Ausschuss an die
jeweiligen Abnehmer geliefert wird, was enorme Folgekosten nach sich
zieht. Werden die Fehler noch im Werk erkannt, kann sofort die Ursache
festgestellt und behoben werden, so dass die Produktion weiterer
fehlerhafter Teile vermieden wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1740866
U [0007, 0007]
- - DE 8900441 U1 [0008]
- - EP 1205744 A1 [0009, 0015]
- - DE 102004017545 A1 [0010]
- - DE 202006008938 U1 [0010]
- - DE 29906806 U1 [0014, 0014]