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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Druckbildkontrolle mit einer Beleuchtungseinheit zur Erzeugung einer diffusen Beleuchtung in einem Aufnahmebereich, einer Kamera zur Erfassung eines Bildes in dem Aufnahmebereich sowie einer mit der Kamera verbundenen Auswertevorrichtung zur Erkennung von Fehlern.
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Eine derartige Vorrichtung zu Druckbildkontrolle ist beispielsweise aus der
DE 10 2012 101 310 A1 bekannt. Sie dient der Kontrolle von beispielsweise Etiketten, die auf einem Träger angeordnet sind und in hoher Geschwindigkeit durch den Aufnahmebereich der Vorrichtung zur Druckbildkontrolle bewegt werden. Dabei werden u.a. die Positionierung der Etiketten und das Druckbild auf Fehler überprüft. Dies erfolgt mittels Bildverarbeitungssystemen, die nicht Gegenstand der Erfindung sind und daher im Rahmen dieser Anmeldung nicht näher erläutert werden. Für Details wird auf die oben bereits genannte
DE 10 2012 101 310 A1 Bezug genommen.
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Die diffuse Beleuchtung hat den Vorteil, dass auch reflektierende Objekte überprüft werden können, da es nicht zu starken Reflexionen kommt, die eine Inspektion der Oberfläche unmöglich machen. Bei der vorbekannten Vorrichtung zu Druckbildkontrolle ist es allerdings nicht möglich, die Positionierung von durchsichtigen Etiketten auf einem durchsichtigen Trägermaterial zu erkennen. Dies ist jedoch eine wichtige Anwendung, wenn Fehletiketten erkannt werden sollen oder eine Stanzposition im Herstellungsprozess sichergestellt werden soll.
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In dem genannten Anwendungsfall werden die notwendigen Überprüfungen daher in der Regel mit diskreten kapazitiven Sensoren vorgenommen. Diese sind jedoch teuer in der Anschaffung und müssen aufwändig kalibriert werden.
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Alternativ können bildgebende Verfahren eingesetzt werden, die mit Inspektionskameras arbeiten. Derartige Systeme sind beispielsweise von der Firma KEYENCE CORPORATION bekannt, deren Systeme auf der Website „http://www.sensorcentral.com/vision/tech18.php“ gezeigt sind. Das unter dem Stichwort „Bar Light Lighting Technique“ vorgestellte System ist in der 5 dargestellt. Dabei wird mit zwei gerichteten Lichtquellen gearbeitet, die den Aufnahmebereich unter einem spitzen Winkel beleuchten. An den Kanten der zu inspizierenden Objekte wird das Licht gestreut und kann in die über dem Aufnahmebereich angeordnete Kamera fallen. Außerhalb der Kantenbereiche wird das schräg einfallende Licht an der Oberfläche reflektiert und kann gemäß der Regel Einfallswinkel = Ausfallswinkel nicht in die Kamera gelangen, die sich oberhalb des Objekts befindet.
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Dieses vorbekannte System setzt aber zwingend voraus, dass mit einer gerichteten Lichtquelle gearbeitet wird, die die Etiketten unter einem spitzen Winkel beleuchtet.
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Werden solche Objekte mit einer diffusen Lichtquelle beleuchtet, bleiben die Etikettenkanten nahezu unsichtbar.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Druckbildkontrolle anzugeben, die mit einer diffusen Lichtquelle arbeitet und mit der es dennoch möglich ist, die Objektkanten durchsichtiger Etiketten sichtbar zu machen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Spiegel unterhalb des Aufnahmebereich angeordnet ist. Der erfindungsgemäß vorgesehenen Spiegel bewirkt, dass die aufgrund der diffusen Beleuchtung in steilem Winkel auf die Oberfläche von Träger oder Etikett treffenden Lichtstrahlen, die anders als bei der beschriebenen Anordnung aus dem Stand der Technik in den Bereich unterhalb des Aufnahmebereichs gelangen können, dort entsprechend der Vorschrift Einfallswinkel = Ausfallswinkel reflektiert und daher nicht in die Kamera bzw. auf den sensitiven oder ausgewerteten Bereich eines Bildsensors in der Kamera gelangen können.
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Bei der Kamera kann es sich um eine Zeilenkamera oder eine Matrixkamera handeln, wie sie in der
DE 10 2012 101 310 A1 beschrieben ist. Wenn von einer Matrixkamera nur ein Teil der Fläche des Bildsensors ausgewertet wird, ist es unschädlich, wenn Licht auf den nicht ausgewerteten Teil fällt. Auch ist unproblematisch, wenn Licht auf nicht sensitive Teile der Kamera fällt, nicht aber auf den Bildsensor. Wenn im Folgenen auf die Kamera Bezug genommen ist, ist damit immer der ausgewerteten Bereich eines Bildsensors in der Kamera gemeint.
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Im Rahmen dieser Patentanmeldung wird unter „reflektieren“ eine Reflektion nach der Formel „Einfallswinkel = Ausfallswinkel“ verstanden. Eine Streuung bedeutet dagegen, dass der Winkel des zurückfallenden Lichts nicht unmittelbar von dem Winkel des einfallenen Lichts abhängt.
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Bei einer gerichteten Lichtquelle, die wie in der 5 gezeigt angeordnet ist, kann Licht nicht in den Bereich unterhalb des Trägers gelangen, da es an der Oberfläche des Etiketts oder des Trägers totalreflektiert wird. Bei einer diffusen Lichtquelle trifft Licht jedoch aus fast allen Richtungen auf die Oberfläche der Etiketten und des Trägers, wobei je nach dem Einfallswinkel Totalreflextion auftritt oder das Licht in die Etiketten und/oder den Träger eintritt, auf der Unterseite wieder austritt und so in den Bereich unterhalb des Trägers gelangt. Dort wird es in der Regel diffus gestreut und kann durch das Etikett und/oder den Träger wieder zurückgelangen und in die Kamera fallen. Das primäre Licht, welches schon beim Einfallen an den Kanten der Etiketten gestreut wird und von dort aus in die Kamera gelangt, ist von dem sekundären Licht, welches von der Unterseite des Trägermaterials zurück reflektiert wird, nicht zu unterscheiden. Das bedeutet, dass in dem aufgenommenen Bild die Kanten der Etiketten kaum sichtbar sind und in der Praxis eine zuverlässige Erkennung der Positionierung der Etiketten nicht möglich ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines Spiegels ist die diffuse Streuung im Bereich unterhalb des Trägers ausgeschlossen und es kann nur Licht in die Kamera bzw. auf den sensitiven oder ausgewerteten Bereich eines Bildsensors in der Kamera gelangen, welches an den Kanten der Etiketten gestreut wurde. Dies ist in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zu Druckbildkontrolle,
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2 den Strahlengang bei einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik,
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3 den Strahlengang bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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5 die oben genannte Vorrichtung aus dem Stand der Technik mit gerichteten Lichtquellen.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Druckbildkontrolle, bei der zur Beleuchtung eines Aufnahmebereich 12 ein Tunnel 2 vorgesehen ist. Dieser ist auf seiner Innenseite mit einem diffus reflektierenden Material beschichtet oder besteht aus einem diffus reflektierenden Material. Im Inneren des Tunnels 2 sind zwei Reihen von LEDs vorgesehen, welcher ihr Licht in das Innere des Tunnels abstrahlen. Aufgrund der diffusen Streuung der Innenoberfläche des Tunnels 2 wird das Licht gleichmäßig im Tunnel 2 verteilt.
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Der Tunnel weist einen im Wesentlichen halkreisförmigen Querschnitt auf. In diesem Ausführungsbeispiel befinden sich die LED-Reihen 3 an den unteren Kanten des Tunnels 2. Im oberen Bereich des Tunnels, oberhalb des Aufnahmebereich 12, befindet sich ein längs verlaufender Schlitz 4, durch welchen eine außerhalb des Tunnels angeordnete Kamera 5 in den Tunnel „hineinschauen“ und dort ein Bild des Aufnahmebereichs 12 erfassen kann. Es können auch mehrere Kameras vorgesehen sein, um z.B. die gesamte Arbeitsbreite abzudecken, oder es kann eine längs des Schlitzes verschiebbare Kamera vorgesehen werden.
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Der Schlitz 4 auf der Oberseite des Tunnels 2 hat einen weiteren Effekt hinsichtlich der Lichtverteilung im Tunnel 2, denn er verhindert, dass Licht senkrecht von oben auf den Aufnahmebereich fällt. Das diffus von den Tunnelwandungen reflektierte bzw. gestreute Licht fällt immer in einem schrägen Winkel auf die Oberfläche von Objekten im Aufnahmebereich, so dass bei einer Reflektion auf der Oberfläche der Objekte das Licht immer auf die Tunnelwandung auf der anderen Seite des Schlitzes 4 fällt, aber nie in die Kamera 5. In die Kamera 5 bzw. auf den sensitiven oder ausgewerteten Bereich eines Bildsensors in der Kamera kann Licht nur dann fallen, wenn es durch eine Streuung eine Winkeländerung erfährt, die nicht der Vorschrift Einfallswinkel = Ausfallswinkel folgt.
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Im Aufnahmebereich 12 im unteren Teil des Tunnels 2 werden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckbildkontrolle Etiketten 6 inspiziert, die auf einen Träger 7 aufgebracht sind. Der Träger 7 mit den Etiketten 6 wird unter dem Tunnel hinduch transportiert und dabei fortlaufend durch die Kamera 5 beobachtet. Sowohl der Träger 7 als auch die Etiketten 6 bestehen aus einem transparenten Material, wobei diese zusätzlich bedruckt sein können.
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Erfindungsgemäß ist unterhalb des Trägers 7 ein Spiegel 8 vorgesehen, welcher parallel zur Ebene des Trägers 7 ausgerichtet ist. Der Spiegel 8 bewirkt, dass Licht, welches von oben durch die Etiketten 6 und/oder den Träger 7 hindurch gelangt, im Bereich unterhalb des Trägers 7 gemäß der Vorschrift Einfallswinkel = Ausfallswinkel nach oben zurückreflektiert wird. Damit ist verhindert, dass Licht aus diesem Bereich in die Kamera 5 bzw. auf den sensitiven oder ausgewerteten Bereich eines Bildsensors in der Kamera gelangen kann, es sei denn, es wurde an einer Kante 9 eines Etiketts 6 gestreut. Dann nämlich fällt es in einem Winkel auf den Spiegel 8, der von Licht nicht erreichbar ist, welches von der Tunnelwandung gestreut wurde. Dieses an einer Etikettenkante 9 gestreute Licht darf und soll in die Kamera 5 gelangen, weil dieses Licht von der Auswertevorrichtung als Etikettenkante 9 erkannt werden soll.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird in der 2 der Strahlengang erläutert, wie er bei einer Vorrichtung zur Druckbildkontrolle mit diffuser Beleuchtung auftreten würde, wenn auf der Unterseite des Trägers 7 kein Spiegel angeordnet ist, sondern eine wie üblich diffus reflektierende Oberfläche. Einfallende Lichtstrahlen können – je nach Einfallswinkel – in den Träger eindringen, durch diesen hindurch gehen und auf der Unterseite wieder austreten. Gleiches geschieht mit Lichtstrahlen, die auf das Etikett auftreffen und erst durch das Etikett und dann den Träger hindurch treten und somit in den Bereich unterhalb des Trägers gelangen. Licht, welches in einem flacheren Winkel auf die Oberfläche des Trägers 7 oder der Etiketten 6 auftrifft, wird totalreflektiert und ist daher unproblematisch.
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Wenn Licht in den Bereich unterhalb des Trägers 7 gelangt, bewirkt eine diffuse Streuung, wie wie sie jede raue Oberfläche bewirkt, dass ein Teil des Lichts senkrecht nach oben gestreut wird, wieder durch den Träger 7 und das Etikett 6 durchgeht und senkrecht nach oben in die Kamera 5 gelangt. Es ist damit nicht unterscheidbar von Licht, welches auf eine Kante eines Etiketts 6 auftrifft und dort so gestreut wird, dass es senkrecht nach oben in die Kamera 5 bzw. auf den sensitiven oder ausgewerteten Bereich eines Bildsensors in der Kamera 5 gelangt. In die Kamera fallenden Lichtstrahlen können also von den Etikettenkante 9 stammen, müssen aber nicht. Die Etikettenkanten 9 sind daher in dem von der Kamera 5 aufgenommenen Bild nicht erkennbar.
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In der 3 ist der Strahlengang gezeigt, wie er sich bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines Spiegels 8 ergibt. Wie bei der Darstellung von 2 trifft Licht auf den Träger 7, die Etiketten 6 und die Etikettenkanten 9. Das in den Bereich unterhalb des Trägers 7 gelangende Licht wird nun nicht mehr diffus gestreut, sondern wird gemäß der Vorschrift Einfallswinkel = Ausfallswinkel nach oben reflektiert und tritt somit aus den Träger 7 bzw. dem Etikett 6 unter einem Winkel aus, der das Licht nicht in die Kamera 5 bzw. auf den sensitiven oder ausgewerteten Bereich eines Bildsensors in der Kamera 5 führt. Licht, welches von einer Etikettenkante 9 gestreut wurde, kann dagegen einerseits direkt in die Kamera 5 gelangen, andererseits kann es senkrecht nach unten gestreut und vom Spiegel 8 wieder senkrecht nach oben reflektiert werden und somit zusätzlich zu dem direkt in die Kamera 5 gelangenden Licht von der Kamera 5 erfasst werden. Das durch Kantenstreuung abgelenkte Licht wird somit durch den Spiegel 8 zusätzlich verstärkt.
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Der Spiegel 8 bewirkt also einerseits, das schräg einfallendes Licht nicht in die Kamera 5 gelangen kann, und andererseits eine Verstärkung des von Etikettenkanten 9 gestreuten Lichts, welches die Kamera 5 erfassen soll.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn der Spiegel 8 ein Oberflächenspiegel ist, bei dem es nicht zu einer doppelten Abbildung von Kanten kommen kann. Dies ist bei „normalen“ Spiegeln der Fall, wenn vor dem reflektierenden Material eine Glasscheibe angebracht ist, die selber Licht an der Oberfläche reflektieren kann.
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In der 4 ist ein erweitertes Ausführungsbeispiel gezeigt. Dort ist ein halbdurchlässiger Spiegel 18 vorgesehen, der einerseits Licht wie anhand des vorstehenden Ausführungsbeispiels beschrieben reflektiert, andererseits aber auch Licht von der Unterseite des Spiegels 18 hindurch lässt. Dort ist im Ausführungsbeispiel von 4 eine Hinterleuchtungseinheit 10 vorgesehen. Diese bewirkt, dass die Etiketten 6 von der Unterseite her beleuchtet werden. Somit erscheinen nicht nur die Etikettenkanten 9 hell, sondern auch die Fläche der Etiketten 6. Wenn dort Schriften oder Aufdrucke vorhanden sind, erscheinen diese im aufgenommenen Bild dunkel und sind somit für eine Auswertung sichtbar. Die Beleuchtungsstärke der Hinterleuchtungseinheit 10 ist so einzustellen, dass die Reflexion an den Etikettenkanten 9 nicht überstrahlt wird, sondern diese deutlich sichtbar bleiben.
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In einer weitergebildeten Ausführungsform der Erfindung ist die Breite des Schlitzes 4 derart bemessen, dass vom Spiegel 8 oder 18 reflektiertes Licht nur auf Bereiche außerhalb des ausgewerteten Bereich eines Bildsensors 13 in der Kamera 5 fällt. Das sogenannte Dunkelfeld, in dem nur im Aufnahmebereich 12 gestreutes Licht in die Kamera 5 gelangen kann, befindet sich direkt gegenüber der Kamera 5 und geht dann an den Rändern in ein Hellfeld über, in dem auch reflektiertes Licht von der Kamera 5 „gesehen“ wird. Von der Breite des Schlitzes 4 ist abhängig, wie breit das Dunkelfeld ist. Wenn man nur das Dunkelfeld auswerten möchte, ist in einer ersten Ausführungsvariante der Schlitz 4 so breit auszulegen, dass der gesamte von der Kamera 5 bzw. Auswertevorrichtung 11 erfasste Aufnahmebereich 12 im Dunkelfeldbereich liegt.
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In einer zweiten Ausführungsvariante weist die Kamera 5 einen Bildsensor 13 auf, der einen mehrzeiligen Bildbereich erfasst. Die Auswertevorrichtung 11 ist dazu eingerichtet, nur einen Teilbereich der lichtempflindlichen Fläche des Bildsensors 13 auszuwerten, der kleiner als die gesamte lichtempfindliche Fläche des Bildsensors 13 ist. Es werden also nur Streifen aufgenommen. Die Aufnahmebreite der Kamera 5, d.h. die Streifenhöhe, kann dann angepasst werden. Die Aufnahmebreite wird für eine Dunkelfeldaufnahme so schmal gemacht, dass bei gegebener Breite des Schlitzes 4 der gesamte ausgewertete Bereich im Dunkelfeld liegt. Dann wird nur in dem Aufnahmebereich gestreutes Licht ausgewertet.
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Eine flexibel einsetzbare Vorrichtung zur Druckbildkontrolle weist mindestens zwei Betriebsarten auf, wobei in einer ersten Betriebsart, dem sogenannten „Normalmodus“, ein erster, größerer Bereich des Bildsensors 13 ausgewertet wird, und in einer zweiten Betriebsart, dem „Reflektionsmodus“, ein zweiter, kleinerer Bereich des Bildsensors 13 ausgewertet wird. Die Vorrichtung zur Druckbildkontrolle kann zwischen diesen Betriebsarten umgeschaltet werden, so dass die Betriebsart an das zu kontrollierende Erzeugnis angepasst werden kann.
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In einer Weiterbildung der Auswertevorrichtung 11 werden die streifenförmigen Bilder zu einem Gesamtbild zusammengesetzt.
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Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern lässt Abwandlungen zu. Dies betrifft insbesondere die Art, wie eine diffuse Beleuchtung erzeugt wird und wie die Kameraanordnung und spätere Auswertung der erfassten Bilder umgesetzt wird. Auch die Ausgestaltung einer Hinterleuchtungseinheit sowie eines Spiegels ist abwandelbar, ohne dass dadurch der Bereich der geschützten Vorrichtung verlassen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012101310 A1 [0002, 0002, 0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.sensorcentral.com/vision/tech18.php [0005]
