DE10227209B4

DE10227209B4 - Verfahren zur Aufnahme von Bildern von metallischen, teilweise flüssigkeitsbenetzten Oberflächen

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Publication number: DE10227209B4
Application number: DE10227209A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2022-06-19
Also published as: DE10227209A1

Abstract

Verfahren zur Aufnahme von Bildern von einer metallischen Oberfläche (1), die ganz oder teilweise mit einer lichtdurchlässigen Flüssigkeit (3) benetzt ist, wobei
die Oberfläche durch Licht (4) unter einem Winkel (ALPHA) von ca. 50 Grad zur Oberflächennormalen bestrahlt wird,
das von der metallischen Oberfläche reflektierte Licht in der Gegenrichtung unter einem Winkel (BETA) von ca. 50 Grad zur Oberflächennormalen mit einer Betrachtungseinrichtung (5) aufgenommen wird, und
zwischen Beleuchtung und Betrachtungseinrichtung ein Polarisationsfilter (6) angeordnet wird, wobei
sowohl das von der unbenetzten metallischen Oberfläche reflektierte Licht als auch das von der benetzten metallischen Oberfläche reflektierte Licht aufgenommen wird und
im Wesentlichen nur Reflektionen auf der Flüssigkeitsoberfläche unterdrückt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme von Bildern von metallischen Oberflächen, die ganz oder teilweise mit einer Flüssigkeit benetzt sein können, insbesondere zum automatischen Lesen von Markierungen auf solchen Oberflächen. Dies betrifft sowohl die Aufnahme von Bildern mit einer Kamera als Bildaufnahmeeinrichtung zur automatischen Auswertung oder zur visuellen Auswertung durch einen Menschen, als auch eine Bildaufnahmeeinrichtung zur direkten Betrachtung durch einen Menschen, also ohne eine zwischengeschaltete Kamera.
Die Aufgabe tritt beispielsweise beim Lesen von optischen Kennzeichnungen von Oberflächen in der mechanischen Fertigung auf. Die Oberflächen sind mit Flüssigkeiten benetzt, typischerweise mit Öltropfen oder einem Ölfilm, was die optische Darstellung der Kennzeichnung erschwert. Beleuchtungs- und Bildaufnahmeanordnungen, die speziell für ölbenetzte Werkstücke optimiert werden (z.B. streifendes Licht von der Seite), benötigen viel Platz und sind nicht optimal, wenn die Werkstücke trocken oder nur teilweise benetzt sind.
Bisher bekannte Beleuchtungen, die für trockene und benetzte Werkstücke geeignet sind (diffuse Beleuchtungen aus vielen Richtungen), nehmen sehr viel Platz ein, sind inbetriebnahmetechnisch schwierig zu handhaben und sind bei trockenen, glatten Oberflächen ungünstiger als homogene Beleuchtungen unter Reflexionsbedingung. Helligkeitsadaptive Verfahren versagen bei teilweise benetzten Werkstücken, da sie Reflexionen auf Oberfläche und Benetzung auf die gleiche Weise verarbeiten.
Diese Probleme haben bisher verhindert, daß im Bereich der mechanischen Fertigung (Fräsmaschinen, Hohnmaschinen, Bearbeitungszentren, Transferstrassen..) in größerem Stil eine automatische Teileverfolgung realisiert werden konnte anhand des Lesens von unverlierbar auf der Oberfläche angebrachten Markierungen (Klarschrift, Barcode, Matrix-Code... – oberflächlich aufgebracht mittels z.B. Laser oder verformend z.B. mittels Ritzen).
Aus der Fotografie ist bekannt, daß mit etwas Glück Glanzlichter durch Vorsetzen eines Polarisationsfilters unterdrückt werden können, z.B. bei Aufnahmen im Schnee, und bei Aufnahmen von Glas (z.B. bei Fenstern von Gebäuden)- und Wasseroberflächen (z.B. bei einem See).

Es ist bekannt, daß mit gekreuzten Polarisatoren Totalreflexion unterdrückt werden kann, wodurch der Streulichtanteil des erfaßten Lichts erhöht werden kann:
Zum Lesen von Symbolen auf Oberflächen, die teilweise glänzend reflektieren, wird nach DE 195 10 267 A1 zur Unterdrückung der sich daraus ergebenden sehr hohen Dynamik, und um die vorteilhafte Beleuchtung im Glanzwinkel beibehalten zu können, das Licht durch ein erstes Filter polarisiert. Mit einem zweiten, zwischen Oberfläche und Kamera sitzenden und geeignet gedrehten Polarisationsfilter werden Totalreflexionen unterdrückt.

Die Anordnung nach DE 195 10 267 A1 ist zur Lösung des hier geschilderten Problems ungeeignet, da Totalreflexion auf der Flüssigkeit und auf Oberfläche gleichermaßen unterdrückt werden. Beim Drehen eines der beiden Filter wird das Bild bei glänzender Metalloberfläche also nur insgesamt dunkler.

Zum Lesen von Barcodes auf Wafern und zur Lösung von diversen, in der Waferherstellung auftretenden Leseproblemen wird nach DE 41 14 925 A1 eine Anordnung mit gekreuzten Polarisatoren vorgeschlagen, mit dem Unterschied, dass Laserlicht verwendet wird, unter Ausnutzung der Tatsache daß Laserlicht polarisiert ist. Durch Verwenden von Laserlicht kann man das hier vorliegende Problem ebenso wenig lösen wie mit zwei Polarisationsfiltern.

DE 195 37 807 C1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Feststellen von Farb- oder Lackschichten auf metallischen Oberflächen. Dabei wird die metallische Oberfläche bzw. die darauf befindliche Schicht beleuchtet und das reflektierte Licht empfangen. Dabei erfolgt die Beleuchtung und das Empfangen unter dem so genannten Brewster-Winkel gegenüber der Oberflächennormalen. Weiterhin erfolgt in wenigstens einem der Beleuchtungs- und Empfangsstrahlengänge eine Polarisation des Lichts in der Einfallsebene. Dort, wo sich keine Farb- oder Lackschicht auf der metallischen Oberfläche befindet, wird Licht empfangen und dort wo sich eine Farb- oder Lackschicht auf der metallischen Oberfläche befindet, wird kein Licht empfangen.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit ein und derselben Anordnung eine sichere Darstellung der Oberflächen zu ermöglichen bei einem Mischbetrieb mit (meist unvorhersehbar) benetzten, teilweise benetzten und trockenen Oberflächen.

Die Aufgabe wird gelöst mit dem Verfahren nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen bestimmt.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben.
Die Anordnung wir gezeigt in 1, mit der Oberfläche 1, dem aktiv verwendeten Bildfeld 2, einer Oberflächenbenetzung 3, der Beleuchtung 4, der Betrachtungseinrichtung 5, dem Polarisationsfilter 6.
Die Winkel ALPHA und BETA sind optimal mit ca. 50 Grad, aber auch mit davon abweichenden Winkeln von ca. 35 bis ca. 65 Grad kann man noch passable Ergebnisse erreichen. Die Winkel ALPHA und BETA liegen gegenüber und sollten gleich oder etwa gleich sein, damit die Reflexionsbedingung erfüllt ist.
Im praktischen Betrieb kann die optimale Drehstellung des Polarisationsfilters ermittelt werden, indem man ihn so dreht, daß die Flüssigkeits-Reflexionen minimal sind.
Das Polarisationsfilter kann sich wahlweise auf Beleuchtungsseite oder auf Betrachtungsseite (wie 1) befinden. Man kann zur Erhöhung der Trennschärfe mehrere hintereinandergeschaltete Polarisationsfilter verwenden, die sich ebenso wahlweise auf Beleuchtungsseite und/oder auf Betrachtungsseite befinden können, die parallel oder näherungsweise parallel ausgerichtet sind, also nicht gekreuzt zueinander ausgerichtet sind, d.h. so ausgerichtet sind, daß das durch einen ersten Filter durchgelassene Licht im wesentlichen auch durch ein zweites Filter durchgelassen wird.
In 1 sind die Grenzlinien 7 der Totalreflexion eingezeichnet: Die Metalloberfläche wird an allen Stellen des betrachteten Oberflächenabschnitts 2 von irgendeinem Teil der Beleuchtung im Glanzlicht (Reflexionsbedingung) beleuchtet. Bei Zentralprojektion muß die Beleuchtung 4 etwas größer sein als der Oberflächenabschnitt 2 (bei einem telezentrischen Strahlengang theoretisch mindestens gleich groß). Sind Kamera und Beleuchtung gleich weit entfernt, so muß die Beleuchtung je nach Neigung etwa doppelt so groß sein wie der Oberflächenabschnitt 2, um die o.g. Bedinung einzuhalten.
Die Sicherheit gegen Störlicht kann erhöht werden durch Verwenden spektral schmalbandigen Lichts, entsprechend Anspruch 5.
Mit der geschilderten Anordnung können, ohne die Beleuchtungsgeometrie zu ändern, voll benetzte, teilweise benetzte und unbenetzte metallische Oberflächen sicher dargestellt werden, ohne daß sich einerseits störende Glanz lichter auf der Flüssigkeitsoberfläche ergeben und ohne daß andererseits die Kontraste auf der Metalloberfläche nennenswert verringert werden. Dies gilt insbesondere auch, wenn die Metalloberfläche selbst glänzend reflektiert. Überraschenderweise werden bei der geschilderten Geometrie nur die Reflexionen auf der Flüssigkeit unterdrückt, und die auf der Oberfläche nicht oder nur gering – und das unter Einsparung eines Polartisatiosnfilters bzw. unter Verwendung einer einfachen Lampe anstelle eines Lasers. Je nach Oberflächencharakteristik (Bearbeitung) des Metalls ergibt sich seltsamerweise sogar ein vorteilhaft gegenläufiges Verhalten der Reflexion auf Metall- und Flüssigkeitsoberfläche (Flüssigkeit dunkler, Metall heller) beim Drehen des Filters.
Die Anordnung gestattet die für glänzende Oberflächen optimale Beleuchtung mit einer flächigen, homogenen Lichtquelle (die größer ist als der betrachtete Oberflächenabschnitt), obwohl sich gerade dann auf einer flüssigkeitsbenetzten Oberfläche störende Totalreflexionen ergeben.
Da nur ein Filter vor der Kamera erforderlich ist, können bei Anwendungen, die Großflächenleuchten erforderlich machen, einfache und preiswerte Lampen eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zur Aufnahme von Bildern von einer metallischen Oberfläche (1), die ganz oder teilweise mit einer lichtdurchlässigen Flüssigkeit (3) benetzt ist, wobei die Oberfläche durch Licht (4) unter einem Winkel (ALPHA) von ca. 50 Grad zur Oberflächennormalen bestrahlt wird, das von der metallischen Oberfläche reflektierte Licht in der Gegenrichtung unter einem Winkel (BETA) von ca. 50 Grad zur Oberflächennormalen mit einer Betrachtungseinrichtung (5) aufgenommen wird, und zwischen Beleuchtung und Betrachtungseinrichtung ein Polarisationsfilter (6) angeordnet wird, wobei sowohl das von der unbenetzten metallischen Oberfläche reflektierte Licht als auch das von der benetzten metallischen Oberfläche reflektierte Licht aufgenommen wird und im Wesentlichen nur Reflektionen auf der Flüssigkeitsoberfläche unterdrückt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Polarisationsfilter (6) aus mehreren Polarisationsfiltern besteht, die so ausgerichtet werden, dass das durch ein erstes Filter durchgelassene Licht im Wesentlichen auch durch die übrigen Filter durchgelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aufnahme von Bildern zum automatischen Lesen von Markierungen auf der metallischen Oberfläche erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine homogene oder näherungsweise homogene Lichtquelle, deren aktiv leuchtende Fläche größer ist als die Größe des auszuwertenden Bildfeldes (2).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Stellen des auszuwertenden Oberflächenabschnitts im Glanzlicht liegen.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine homogene Lichtquelle (4), deren aktiv leuchtende Fläche mindestens etwa der doppelten Größe des auszuwertenden Bildfeldes (2) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch – den Einsatz monochromatischen Lichts, wahlweise durch Einsatz einer entsprechenden Lichtquelle oder durch Einsatz eines optischen Filters zwischen Lichtquelle und Oberfläche, – den Einsatz eines optischen Filters zwischen Oberfläche und Betrachtungseinrichtung, das für die Farbe des monochromatischen Lichts durchlässig ist.