DE102013010469A1 - Strahlteilvorrichtung aus Prismenkeilen für den Einsatz in Kamerasystemen - Google Patents

Strahlteilvorrichtung aus Prismenkeilen für den Einsatz in Kamerasystemen Download PDF

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Abstract

Eine Strahlteilervorrichtung umfasst Prismenkeile für den Einsatz in Kamerasystemen für die Erfassung von Farbe und Polarisationszustand. Um auf konstruktiv einfache Art die sichere Erfassung von Farbe und Polarisationszustand zu ermöglichen, erfolgt eine Abspaltung und Erfassung mit Bildsensoren von ein oder mehreren Wellenlängenbereichen für einen Teil der Farbinformation und sind nachgeschaltet der verbleibende Wellenlängenbereich durch eine oder mehrere polarisierende Strahlteilerschichten in zwei oder mehrere Polarisationszustände aufteilbar und durch Bildsensoren erfassbar.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Strahlteilervorrichtung aus Prismenkeilen für den Einsatz in Kamerasystemen für die Erfassung von Farbe und Polarisationszustand.
  • Für automatisch arbeitende Inspektionsanlagen wie z. B. Sortieranlagen oder Wareninspektionsanlagen sind bereits Kameras bekannt, welche entweder nur Helligkeitsinformationen oder aber auch Farbinformationen erfassen. Im Bereich der Farbkameras sind ebenfalls spezielle Kameras bekannt, welche mithilfe eines Strahlteilers die spektrale Separation des Lichtes in z. B. drei Farbkanäle Rot, Grün, Blau vornehmen. z. B. das als Philips-Prisma bekannte Prinzip nach DE1289409 .
  • Ebenso bekannt sind Erweiterungen dieses Prinzip mit Aufspaltung in vier Kanäle z. B. DE 3345637 , welches entweder bei Fernsehkameras zur Auflösungserhöhung des Grünkanals oder bei Inspektionskameras zur Erweiterung des Spektralbereichs z. B. Rot, Grün, Blau und Infrarot verwendet werden.
  • Ein Problem beim Betrieb von optisch arbeitenden Inspektionsanlagen ist die Unterscheidung von Gutmaterial von eventuell vorhanden gleichfarbigen oder gleich hellen Fremdkörpern oder Störstellen.
  • Aus der DE 10 2008 031 199 A ist eine Vorrichtung mit Verwendung von infrarotem Licht, der Verwendung von UV-Licht (Fluoreszenzeffekte) oder der kombinierten Anwendung von polarisiertem Durchlicht und UV-Licht bekannt. Die DE 10 2010 0555 523 A beschreibt eine Vorrichtung, bei der an einer Inspektionsstelle Farbinformation und Polarisationszustand erfasst werden, wozu eine komplizierte Beleuchtung erforderlich ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die die genannten Nachteile vermeidet, die insbesondere auf konstruktiv einfach Art die sichere Erfassung von Farbe und Polarisationszustand ermöglicht.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
  • Dadurch, dass eine Strahlteilervorrichtung aus Prismenkeilen verwendet wird, wobei zunächst eine Abspaltung und Erfassung mit Bildsensoren von ein oder mehreren Wellenlängenbereichen für einen Teil der Farbinformation erfolgt und nachgeschaltet der verbleibende Wellenlängenbereich durch eine oder mehrere polarisierende Strahlteilerschichten in zwei oder mehrere Polarisationszustände aufgeteilt und durch Bildsensoren erfasst wird, ist auf konstruktiv einfache und vorteilhafte Weise die sichere Erfassung von Farbe und Polarisationszustand verwirklicht.
  • Die Erfindung umfasst eine vorteilhafte Vorrichtung für eine 4 Sensoren Kamera mit Strahlteiler, welche gleichzeitig die Farbinformation als auch den linearen Polarisationszustand des Lichtes erfasst und dabei im gleichen Wellenlängenbereich arbeitet.
  • Die Ansprüche 2 bis 42 haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1 schematisch ein Strahlteilerprisma einer erfindungsgemäßen Ausführung einer 4-Sensoren-Kamera und
  • 2 schematisch die Aufspaltung des Lichts an dem Strahlteilerprisma gem. 1.
  • 1 zeigt beispielhaft das Strahlteilerprisma 4 einer erfindungsgemäßen Ausführung einer 4-Sensoren Kamera, welche obige Nachteile beseitigt und dafür sorgt, dass sowohl Farbinformation als auch der Polarisationszustand des Lichtes gemeinsam in einer Vorrichtung bzw. Kamera zur Anwendung kommen können.
  • Das aus 4 Prismenkeilen bestehende Strahlteilerprisma 4 ist über einen Sockel 3 an einer Kamerafrontplatte 2 befestigt. An der Kamerafrontplatte ist von der anderen Seite das Objektiv 1 der Kamera montiert. Das Objektiv 1 bildet die zu beobachtende Objektszene durch das Strahlteilerprisma 4 auf die 4 Sensoren 5, 6, 7 und 8 ab. Als Sensoren sind hier beispielhaft CCD-Zeilensensoren gewählt, welche entlang ihrer Längsachse, jeweils an einem der 4 Ausgangsflächen 9, 10, 11 und 12 des Strahlteilerprismas 4 angeordnet und zueinander justiert sind.
  • 2 zeigt nun die Aufspaltung des Lichtes an dem Strahlteilerprisma 4. Das auf die Eingangsfläche 13 einfallende weiße Licht W bestehend aus einem roten R, grünen G und blauen B Wellenlängenbereich, hier beispielhaft anhand eines Lichtstrahles auf der optischen Achse 14 dargestellt, durchläuft das Prisma 15 bis es auf eine dichroitische Filterschicht 22 trifft. Dort wird der blaue Anteil B des Lichtes reflektiert, so dass es nach Totalreflexion an der Eintrittsfläche 13 im weiteren Verlauf an der Austrittsfläche 12 austritt und dort als beispielhafter gezeichneter blauer Strahl 26 auf den Zeilensensor 8 fällt. Das restliche Licht durchläuft einen Luftspalt 19, welcher zwischen Prisma 15 und 16 angeordnet ist, dann tritt es in das Prisma 16 ein und durchläuft es bis zur Filterschicht 23. An der Filterschicht 23 wird nun der rote Anteil des Lichtes reflektiert, im weiteren Verlauf am Luftspalt 19 durch Totalreflexion in Richtung Ausgangsfläche 9 umgelenkt und trifft dort als beispielhafter gezeichneter roter Lichtstrahl 27 den Sensor 5. Nach dem Filter 23 bleibt nun nur noch Licht der grünen Wellenlänge übrig. Dieses wird nun im weiteren Verlauf in seine beiden Polarisationsrichtungen s und p aufgespalten. Hierzu fällt es nun nach Durchlauf durch das Prisma 17 auf die polarisierende Strahlteilerschicht 24, wo der s-polarisierte Anteil des Lichtes reflektiert und der p-polarisierte Anteil des Lichtes in Richtung Prisma 18 durchgelassen wird. Der s-polarisierte Anteil Gs tritt an der Austrittsfläche 10 als beispielhaft gezeichneter Lichtstrahl 28 aus und beleuchtet dort den Sensor 6. Der übrig bleibende p-polarisierte Anteil Gp, beispielhaft als Lichtstrahl 29 gezeichnet, durchläuft das Prisma 18 und tritt an der Austrittfläche 11 aus, wonach er auf den Sensor 7 fällt.
  • Die Bildsensoren 5, 6, 7 und 8 sind an eine (nicht dargestellte) Signalvorverarbeitungs- bzw. Bildauswerteeinrichtung angeschlossen. Da die Sensoren zueinander genau ausgerichtet werden, stimmt die räumliche Zuordnung der Bildinformation Bildpunktweise überein. In der Auswerteeinrichtung kann daher die ursprüngliche Grüninformation G vollständig durch Addition des Gs und des Gp Kanales rekonstruiert werden. G = Gs + Gp. Man erhält also mit 4 Sensoren zum einen die vollständige Farbinformation R, G und B als auch die Polarisationsinformation Gs und Gp.
  • Der rote und blaue Wellenlängenbereich ist für die Bestimmung des Polarisationszustandes nicht nötig, wohl aber für die Farbe. Dadurch, dass zuerst eine Abspaltung der Wellenlängen für den roten und blauen Wellenlängenbereich erfolgt, ist die Auslegung der polarisierenden Strahlteilerschicht 24 erst sinnvoll möglich.
  • Ein günstige Auslegung dieses Strahlteilerprismas erhält man dann, wenn man im Gegensatz zu bekannten 4-Sensoren Konstruktionen (wie z. B. in US 5777673 beschrieben) an der Grenzfläche 20 zwischen Prisma 16 und 17 keinen Luftspalt vorsieht und daher der Weg des Lichtstrahles 28, nach der polarisierenden Strahlteilerschicht 24 nicht noch einmal durch Totalreflexion umgelenkt wird. Man ist dann mit der Wahl des Einfallswinkels 30 wesentlich freier und kann diesen deutlich größer als die üblichen 45° wählen, was vorteilhaft für die Auslegung der polarisierenden Strahlteilerschicht 24 ist. Würde man den Lichtstrahl 28 dagegen noch einmal an einem Luftspalt zwischen Prisma 16 und 17 umlenken (siehe z. B. US 5777673 ), so ergeben sich Einfallswinkel 30 von deutlich kleiner als 45°, was wiederum ungünstig für die Auslegung einer effektiven Strahlteilerschicht 24 ist.
  • Eine günstige Auslegung des Strahlteilerprismas 4 liegt zusätzlich dann vor, wenn die Gesamtglasstrecke l in 1 möglichst klein ist, da eine kleine Glasstrecke günstig für die Auslegung des Objektives 1 ist. Nun kann man aber das Prisma nicht beliebig klein skalieren, weil der Bauraum inklusive Zwischenraum für die Sensoren 5, 6, 7 und 8 vorhanden sein muss. Eine optimal kleine Glasstrecke erreicht man genau dann, wenn die von den Ausgangsflächen 9, 10, 11, und 12 austretenden Lichtstrahlen 26, 27, 28 und 29 divergieren d. h. auseinander laufen und gleichzeitig mindestens zwei Prismenkeile symmetrisch zueinander sind, z. B. wie in 2 dargestellt die Prismenkeile 16 und 17 und/oder die Prismenkeile 11 und 15.
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • DE 3345637 [0003]
    • DE 102008031199 A [0005]
    • DE 1020100555523 A [0005]
    • US 5777673 [0020, 0020]

Claims (42)

  1. Strahlteilervorrichtung aus Prismenkeilen (15, 16, 17, 18) für den Einsatz in Kamerasystemen für die Erfassung von Farbe und Polarisationszustand, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine Abspaltung und Erfassung mit Bildsensoren (5, 8) von ein oder mehreren Wellenlängenbereichen für einen Teil der Farbinformation erfolgt und nachgeschaltet der verbleibende Wellenlängenbereich durch eine oder mehrere polarisierende Strahlteilerschichten (24) in zwei oder mehrere Polarisationszustände aufteilbar und durch Bildsensoren (6, 7) erfassbar sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die polarisierende Strahlteilerschicht 24 mit Einfallswinkeln größer 45° ausgelegt wird.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abspaltung der ersten Wellenlängenbereiche, für welche keine Auftrennung der Polarisationsrichtung erforderlich ist, keine weiteren Luftspalte zwischen den Prismenkeilen vorgesehen werden.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der verwendeten Prismenkeile symmetrisch zueinander sind.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die in verschiedene Polarisationszustände getrennte und erfasste Bildinformation rechnerisch wieder zur vollständigen Farbinformation zusammengefasst wird.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die erforderlichen Detektoreinrichtungen für das unpolarisierte Licht des einen Wellenlängenbereiches in ein Gehäuse zusammen mit den Sensoren für das polarisierte Licht des anderen Wellenlängenbereiches angeordnet werden.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass zur Abdeckung einer großen Arbeitsbreite mehrere Detektionsvorrichtungen in Abschnitten parallel nebeneinander arbeiten.
  8. Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung des Bauraumes die Kamerasichtlinie durch Spiegel oder Prismen gefaltet wird.
  9. Gleichzeitige Anwendung der Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einer Vorrichtung, welche mit polarisiertem Durchlicht und/oder UV Licht in einer Maschine arbeitet um die Erkennungssicherheit von farblosen Fremdteilen zu maximieren.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinrichtung eine Auswerteeinrichtung umfasst.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera einen Polarisationsfilter als Analysator aufweist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera einen Filter aufweist, der den Durchtritt von UV-Licht und/oder infrarotem Licht verhindert.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an die Auswerteeinrichtung eine in Förderrichtung nach der Detektionszone angeordnete Ausscheidevorrichtung zum Ausscheiden der Fremdstoffe angeschlossen ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Beleuchtung eingesetzte Licht linear polarisiert ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Beleuchtung eingesetzte Licht zirkular polarisiert ist.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Beleuchtung eingesetzte Licht elliptisch polarisiert ist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle für polarisiertes Licht und die Detektoreinrichtung auf verschiedenen Seiten der Faserflocken angeordnet sind (Durchlichtanordnung).
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erkennen eine Reflexunterdrückung erfolgt.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinrichtung eine Zeilenkamera ist.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinrichtung eine Matrixkamera ist.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinrichtung Lichtsensoren umfasst.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion mit Farbe erfolgt.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion mit schwarz/weiß erfolgt.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtquelle vorhanden ist, die polarisiertes Licht ausstrahlt.
  25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisator an oder innerhalb der Lichtquelle integriert ist.
  26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Fasermaterial und der Detektoreinrichtung ein Analysator angeordnet ist.
  27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Detektor vorhanden ist, der auch als Analysator wirkt.
  28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Analysator an oder innerhalb des Detektors integriert ist.
  29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang Licht reflektierende Elemente angeordnet sind.
  30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang Licht brechende Elemente angeordnet sind.
  31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass als Elemente Spiegel herangezogen werden.
  32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass als Elemente Prismen herangezogen werden.
  33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass als Elemente Linsen herangezogen werden.
  34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerteeinrichtung eine Einrichtung zur Entfernung (Abscheidung) von Fremdteilen nachgeschaltet ist.
  35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung und die Entfernungseinrichtung (Abscheideeinrichtung) durch eine Steuer- oder Schalteinrichtung elektrisch miteinander verbunden sind.
  36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung nach einer Reinigungsvorrichtung angeordnet ist.
  37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in einer Karde angeordnet ist.
  38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung nach einer Karde angeordnet ist.
  39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung nach einem Fremdfaserausscheider angeordnet ist.
  40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinrichtung aufgrund ihrer Auflösung flächenförmige von faserförmigen Fremdteilen zu unterscheiden vermag.
  41. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass die einer Öffnerwalze nachgeordnete Vorrichtung nicht unmittelbar im Abgabebereich der Öffnerwalze angeordnet ist.
  42. Strahlteilervorrichtung aus Prismenkeilen für den Einsatz in Kamerasystemen für die Erfassung von Farbe und Polarisationszustand, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine Abspaltung und Erfassung mit Bildsensoren von ein oder mehreren Wellenlängenbereichen für einen Teil der Farbinformation erfolgt und nachgeschaltet der verbleibende Wellenlängenbereich durch eine oder mehrere polarisierende Strahlteilerschichten in zwei oder mehrere Polarisationszustände aufteilbar und durch Bildsensoren erfassbar sind.
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